Horizontal Sodium Growth via the Sodiophilicity-Driven Structural Design of Current Collectors for Anode-Free Sodium Metal Batteries

阳极 材料科学 电流(流体) 金属 钠冷快堆 集电器 纳米技术 冶金 工程物理 化学 核工程 电气工程 工程类 电解质 电极 物理化学
作者
Seunghyun Kim,Gyeongbeom Ryoo,Jeng‐Hun Lee,Jimin Kim,Jong Hwan Park,Kilwon Cho
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (27): 25455-25465 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c07629
摘要

Sodium metal batteries offer high energy densities but suffer from dendrite formation, which causes capacity loss and short circuits. The present study achieves horizontal sodium growth and stripping by employing a periodic pattern of pyrolytic carbon pillars with vertical facets coated with gold on a copper current collector. The sodiophilic gold layer reduces the energy barrier for sodium nucleation, thereby facilitating preferential sodium nucleation. The regularly spaced carbon pillars with gold-coated sidewalls act as nucleation sites, directing sodium to deposit laterally while maintaining a predominantly horizontal trajectory. Alloys of sodium and gold on the pillar sidewalls induce horizontal expansion of sodium fronts that merge with those from neighboring pillars. During stripping, sodium progressively retracts toward the pillars from these merged boundaries. Electrochemical sodiation and desodiation behaviors in the coexistence of carbon, gold, and copper, influencing subsequent sodium plating, were elucidated by cyclic voltammetry. Copper current collectors with 10–20 μm-high, gold-coated carbon pillars achieved stable half-cell cycling for 1000 cycles at 5 mA cm–2. The horizontal sodium growth and stripping enabled the high-power and safe operation of anode-free sodium metal full-cells at ultrahigh critical current densities (>3.0 mA cm–2).
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