Electrochemically induced crystalline-to-amorphization transformation in sodium samarium silicate solid electrolyte for long-lasting sodium metal batteries

材料科学 电解质 离子电导率 无定形固体 电化学 化学工程 电化学窗口 离子键合 快离子导体 电导率 金属 硅酸钠 电极 无机化学 离子 冶金 化学 结晶学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Ge Sun,Chenjie Lou,Boqian Yi,Wanqing Jia,Zhixuan Wei,Shiyu Yao,Ziheng Lu,Gang Chen,Zexiang Shen,Mingxue Tang,Fei Du
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42308-0
摘要

Exploiting solid electrolyte (SE) materials with high ionic conductivity, good interfacial compatibility, and conformal contact with electrodes is essential for solid-state sodium metal batteries (SSBs). Here we report a crystalline Na5SmSi4O12 SE which features high room-temperature ionic conductivity of 2.9 × 10-3 S cm-1 and a low activation energy of 0.15 eV. All-solid-state symmetric cell with Na5SmSi4O12 delivers excellent cycling life over 800 h at 0.15 mA h cm-2 and a high critical current density of 1.4 mA cm-2. Such excellent electrochemical performance is attributed to an electrochemically induced in-situ crystalline-to-amorphous (CTA) transformation propagating from the interface to the bulk during repeated deposition and stripping of sodium, which leads to faster ionic transport and superior interfacial properties. Impressively, the Na|Na5SmSi4O12|Na3V2(PO4)3 sodium metal batteries achieve a remarkable cycling performance over 4000 cycles (6 months) with no capacity loss. These results not only identify Na5SmSi4O12 as a promising SE but also emphasize the potential of the CTA transition as a promising mechanism towards long-lasting SSBs.
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