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如果電解質(zhì)沒有解決枝晶（成絲）的問題，固態(tài)鈉金屬電池將無法達到合理的功率密度。沉積過程中陶瓷/金屬界面處的金屬絲形成可導致內(nèi)部短路引起的電氣故障或電解質(zhì)破裂引起的機械故障。

華中科技大學黃云輝等表明TiO₂可用作Na₃Zr₂Si₂PO₁₂(NZSP)鈉離子導體NASICON電解質(zhì)的添加劑，以改變其密度、楊氏模量、硬度、晶粒結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)，從而解決上述問題。

圖1 所制備的NZSP和NZSP(TiO₂)顆粒的的SEM圖像

研究表明，TiO₂添加劑可在NZSP(TiO₂)復合材料內(nèi)形成第二相，提高其楊氏模量和硬度，增加其密度，降低對Na金屬的界面電阻，并增加晶粒間的粘附力。此外，TiO₂在NZSP晶界及其外表面上的均勻分布改變了兩相材料的微觀結(jié)構(gòu)，而不會對離子或電子導電性產(chǎn)生實質(zhì)性影響，同時也改善了金屬鈉對電解質(zhì)的潤濕性。

圖2 NZSP和NZSP(TiO₂)的機械性能

結(jié)果，NZSP中的TiO₂添加劑不僅將界面電阻降低了一半，并將晶粒結(jié)構(gòu)內(nèi)的附著力提高了5倍以上，而且還將形成鈉枝晶的臨界電流密度提高了一個數(shù)量級。

當在0.1 mA cm^-2下循環(huán)時，Na/NZSP(TiO₂)/Na電池立即實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓響應，幅度為33 ± 3 mV，持續(xù)循環(huán)750小時后沒有任何性能下降的跡象，此外電池在達到1 mA cm^-2的電流密度之前不會發(fā)生短路，這表明鈉枝晶的形成得到了有效抑制。這些改進可能使一系列高能量密度的鈉離子電池成為可能。

圖3 對稱電池性能

TiO2 as Second Phase in Na3Zr2Si2PO12 to Suppress Dendrite Growth in Sodium Metal Solid-State Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103607

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華科黃云輝AEM：TiO2添加劑抑制鈉金屬固態(tài)電池的枝晶生長！

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