鈉(鉀) Na(K) 金屬作為電池負(fù)極結(jié)合了低成本、高理論容量和高能量密度 (Na 和 K 分別為1165和687 mAh g-1)，金屬Na(K)負(fù)極可以與高容量的陰極配對(duì)，以獲得高能量和功率密度。因此，Na(K)金屬電池被認(rèn)為是低成本、大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)最有潛力的候選材料。然而，Na(K)表面枝晶的生長、電解液分解嚴(yán)重、庫侖效率低、循環(huán)穩(wěn)定性差，甚至存在潛在的安全隱患，嚴(yán)重阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。

基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的方法將納米碲（Te）粉直接涂覆在金屬Na(K)表面，制備出Na2Te (K2Te) 保護(hù)層。通過密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算和abinitio分子動(dòng)力學(xué) (AIMD) 模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn) Na2Te/K2Te具有較低的Na+/K+遷移能壘和超高的Na+/K+擴(kuò)散系數(shù) (分別為3.7 × 10-10 cm2 s-1/1.6× 10-10 cm2 s-1 (300 K))，說明Na2Te/K2Te有利于Na+/K+遷移和抑制Na(K)的枝晶生長。

得益于此，Na@Na2Te負(fù)極在低成本碳酸鹽電解液中 (1mA cm-2,1mAh cm-2)可循環(huán)使用700h，相匹配的 Na3V2(PO4)3//Na@Na2Te全電池在高的功率密度29687 W kg-1下能量密度高達(dá)223 Wh kg-1，在20°C下循環(huán)3000次后容量保持率高達(dá)93%。此外，K@K2Te鉀金屬全電池的功率密度也高達(dá)20577W kg-1，能量密度為154Wh kg-1。相關(guān)論文以題為“Design Principles of Sodium/Potassium Protection Layer for High-Power High-Energy Sodium/Potassium-Metal Batteries in Carbonate Electrolytes: a Case Study of Na2Te/K2Te”發(fā)表在Advanced Materials。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202106353

具體來說，整個(gè)涂膜過程都是在氬氣手套箱(<0.1 ppm O2和H2O)中制備完成，將納米Te粉末直接噴涂在Na/K金屬表面，在Na/K表面生成Na2Te/K2Te保護(hù)層。通過冷凍透射電鏡（Cryo-TEM）分析表明，Na (K)表面改性層不僅能提高電流密度，降低Na(K)遷移活化能，還能抑制Na枝晶的形成。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低成本為實(shí)現(xiàn)Na(K)金屬電池在大規(guī)模儲(chǔ)能中實(shí)現(xiàn)高功率密度和長周期壽命提供了新的方案。 （文：Navigator）

圖1.理論模擬: a) Na2X (x = S，Se，Te)的反螢石晶體結(jié)構(gòu)。 Na+ 的電荷密度差在 b) Na2Te (001) 晶面的空穴位置和 c) Na (001) 晶面。黃色和青色球體分別代表電子的積累和消耗。紫色球代表吸附的Na+。 d) 在Na2X(x = S，Se，Te)的Na+ 吸附能總結(jié)。e) Na+ 的擴(kuò)散能壘在Na2Te[100] ，[110] ，[111]等不同晶向。f)總結(jié)Na+的Na2X (x = S，Se，Te) 不同的擴(kuò)散能壘。插圖為沿[100]，[110]和[111]方向擴(kuò)散路徑示意圖。計(jì)算了選定的Na+原子的運(yùn)動(dòng)軌跡在1200K在 Na2Te分別對(duì)應(yīng) g) X-Y面和h)X-Z面。 i) Na2Te分別在1000,1200和1400K時(shí)候MSD與模擬時(shí)間的關(guān)系。

圖2. a）在Na/K金屬表面制備Na2Te/K2Te保護(hù)層示意圖。b）Na@Na2Te的SEM圖像和c) Na和d) Te所對(duì)應(yīng)的元素分布圖。e) Na@Na2Te的XRD圖譜。分別研究了f) Na@Na2Te和g) Na表面的楊氏模量分布。

圖3. Na2Te@Na和Na的對(duì)稱電池的電化學(xué)性能。 a）電壓-時(shí)間分布在1 mA cm-2和1 mAh cm-2。b）固定容量為1 mAh cm-2的倍率性能，倍率分別為1、2、3、5和8 mA cm-2。c）不同溫度下d) Na和e) Na@Na2Te電池的擬合Tafel點(diǎn)和Nyquist圖。插入圖是等效電路模型。f) Na離子通過SEI擴(kuò)散的活化能。

圖4. Na@Na2Te的SEI的冷凍透射電鏡圖像和相組成圖。b, c) TeO2的HRTEM和FFT。d,e) Na2Te的HRTEM和FFT。f, g) NaTe的HRTEM和FFT。h) 在0.5mA cm-2電流密度下Na沉積的原位光學(xué)觀察。比例尺為200μm。i, j) 50次循環(huán) (100h) 后Na的表面形貌。k)在0.5 mA cm-2電流密度下Na沉積在Na@Na2Te上的原位光學(xué)觀察。比例尺為200μm。 l, m) Na@Na2Te經(jīng)過50次循環(huán) (100h) 后的表面形貌。 

圖6. K和K@K2Te的理論模擬及電化學(xué)性能。a) K2Te (001) 晶面空穴部位K+ 的電荷密度差。黃色和青色的球體分別代表電子的聚集和消耗。b) 計(jì)選定K+ 原子在K2Te的X-Z平面在溫度1600 K時(shí)的軌跡。c)K2Te在1200、1400和1600 K時(shí)MSD與模擬時(shí)間的關(guān)系。 d) 0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2對(duì)應(yīng)的電壓-時(shí)間分布曲線。e)在0.5、1、2、3、5和8 mA cm-2電流密度下，容量為0.5 mAh cm?2時(shí)的倍率性能對(duì)比。 f) 20℃下的長循環(huán)性能和g)倍率性能。h) 能量/功率密度與其他參考數(shù)據(jù)的Ragone圖。