Stable all-solid-state sodium-sulfur batteries for low-temperature operation enabled by sodium alloy anode and confined sulfur cathode

阳极 材料科学 阴极 合金 电池(电) 电解质 硫黄 化学工程 碳纤维 储能 冶金 复合材料 化学 电极 热力学 物理化学 工程类 功率(物理) 物理 复合数
作者
Li‐Ji Jhang,Daiwei Wang,Alexander Silver,Xiaolin Li,David Reed,Donghai Wang,Donghai Wang,Donghai Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:105: 107995-107995 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107995
摘要

All-solid-state sodium-sulfur (Na-S) batteries are promising for stationary energy storage devices because of their low operating temperatures (less than 100 °C), improved safety, and low-cost fabrication. Using Na alloy instead of Na metal as an anode in Na-S batteries can prevent dendrite growth and improve interfacial stability between the anode and solid electrolytes to achieve long-cycling stability. A high-sulfur content cathode possessing high sulfur utilization is also important to enable an energy-dense Na-S battery. In this work, we studied Na-Sb and Na-Sn alloy anodes and demonstrated the superiority of Na3Sb alloy undergoing a stable Na alloying/dealloying process at 0.04 mA cm−2 for over 500 h. Combining the optimized Na3Sb alloy anode with sulfur-carbon composites prepared by the vapor deposition approach, the full cell shows a high sulfur specific capacity and improved rate performance. Moreover, the all-solid-state Na alloy-S battery can deliver a high initial discharge specific capacity of 1377 mAh g−1 and maintain good capacity retention of 70 % after 180 cycles at 60 °C. Post-cycle characterizations show that both the anode and cathode perform a reversible discharge/charge process after the 1st cycle, and the cathode undergoes significantly rearranged distributions of carbon and solid-state electrolytes after 180 cycles due to severe volume change induced by repeated sodiation/desodiation process. Data will be made available on request.
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