介绍

随着下一代储能设备的发展，锂离子电池用于移动设备和电动汽车的电源，对它们的需求可能会增加。但是，由于锂不是一种丰富的金属，因此价格昂贵。另一方面，钠资源丰富且价格低廉，人们对钠离子电池 (SIB) 的兴趣一直在增长。已经研究了各种材料用作 SIB 的阴极或阳极。这些研究中的大多数是在包含工作电极 (WE)、对电极 (CE) 以及必要时参考电极 (RE) 的半电池系统上进行的。 WE包含阴极或阳极材料。通常，钠金属片用于半电池系统中的 CE。使用钠作为负极材料是可以想象的，但由于安全问题，这在实践中会很困难。

有很多关于电化学锂沉积/溶解的报。锂金属电极由于在电化学沉积过程中形成锂“枝晶”而具有短路和循环性能差的缺点。如参考文献所述，在 0.5mA/cm2 的 LiAsF2/碳酸亚乙酯-2-甲基四氢呋喃电解质溶液中电化学锂沉积的过程如下。锂从锂电极的底部生长并产生扭结。因此，析出的锂的形状变成树枝状。然后，锂开始沉积在锂枝晶的尖端和扭结点。沉积的锂的形状是颗粒状的。锂枝晶的电化学溶解过程如下。尖端和扭结点上的颗粒状锂被溶解。然后，枝晶的基体溶解，枝晶变成“死锂”。这是锂金属电极可逆性差的原因之一。此外，对各种电解质中电化学沉积锂形状的研究表明，形状与电解质有关。

如上所述，积累了关于电化学锂沉积/溶解。然而，有很少有关于电化学钠沉积/溶解的报道。它对于理解行为（例如循环过程中的形状变化、可逆性和库仑效率）以促进 SIB 的发展非常重要。在这项研究中，我们专注于作为 CE 的金属钠，并观察了在碳酸亚丙酯 (PC) 基电解质溶液中电化学沉积/溶解的钠的形状变化。基于 PC 的溶液被广泛用作 SIB 的电解质，使用单一溶剂使我们能够阐明沉积/溶解行为。钠电极和铜电极用作WE，钠电极用作CE作为典型反应体系。为了观察，我们使用了我们之前对 Sn-Co 阳极材料的研究中报道的光学显微镜。通过这种技术，我们可以在电化学钠沉积/溶解过程中观察钠电极表面的横截面，并记录钠生长的视频以进行原位观察。此外，为了研究沉积的钠上是否存在表面薄层，如固体电解质界面 (SEI)，例如沉积的锂上的 Li2CO3 和 Li2O，我们使用配备的扫描电子显微镜 (SEM) 检查了沉积钠的表面成分。SEI 的离子电导率等性能对于实现良好的可循环性很重要。

应用情况

在这项研究中，主要是研究通过原位光学显微镜观察了基于碳酸亚丙酯的电解质溶液中的电化学钠沉积/溶解行为。 首先，在阴极过程中钠电极的凹坑处沉积了粒状钠。然后，钠颗粒从电极表面线性生长，呈针状。 在随后的阳极过程中，钠在钠电极上的针根附近溶解，所谓的“死钠”从电极上脱离出来。 铜电极上电化学钠沉积和溶解的机理与钠电极相似。

图片3显示通过使用原位光学显微镜（Lasertec Corp.，ECCS B310）以与先前报道的相同方式直接观察钠或铜电极在电化学沉积/溶解过程中的形态变化。用于显微镜观察的圆形单元通过堆叠钠片（0.2-mm厚和15mm直径，Kanto Chemical Corp.）或铜片（0.01-mm厚和15mm直径）作为WE、电解质来制备溶液（1M NaPF6/PC，Tomiyama Pure Chemicals Industries Ltd.）-浸泡聚丙烯隔膜（直径 19mm，Celgard），以及作为 CE 的钠片。如补充图3（a）所示，将圆形电池切成半圆形，并准备WE /隔膜与电解质溶液/ CE的电池的暴露横截面用于观察。然后，将半圆形电池放置在用于光学显微镜的夹具中，并使用光学显微镜通过由蓝宝石制成的观察窗监测表面的横截面，如补充图3（b）所示。电化学测量使用自动恒电流放电-充电系统（Hokuto Denko Corp.，HJ1001SD8）在室温下以 50μA（57μA/cm2）的恒定电流进行。

来源

作者：YuhkiYui， Masahiko Hayashi & Jiro Nakamura

机构：NTT Device Technology Labs., NTT Corporation 3-1, Morinosato Wakamiya, Atsugi-shi, Kanagawa Pref. 243-0198, Japan.；Department of Electronic Chemistry, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8502, Japan.

发布时间：received: 24 September 2015；accepted: 12 February 2016；Published: 01 March 2016

期刊：The nature scientificreports

文章来源网站：In situ Microscopic Observation of Sodium Deposition/Dissolution on Sodium Electrode