A Sodium–Antimony–Telluride Intermetallic Allows Sodium‐Metal Cycling at 100% Depth of Discharge and as an Anode‐Free Metal Battery

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作者
Yixian Wang,Hui Dong,Naman Katyal,Hongchang Hao,Pengcheng Liu,Hugo Celio,Graeme Henkelman,John Watt,David Mitlin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (1): e2106005-e2106005 被引量:126
标识
DOI:10.1002/adma.202106005
摘要

Abstract Repeated cold rolling and folding is employed to fabricate a metallurgical composite of sodium–antimony–telluride Na 2 (Sb 2/6 Te 3/6 Vac 1/6 ) dispersed in electrochemically active sodium metal, termed “NST‐Na.” This new intermetallic has a vacancy‐rich thermodynamically stable face‐centered‐cubic structure and enables state‐of‐the‐art electrochemical performance in widely employed carbonate and ether electrolytes. NST‐Na achieves 100% depth‐of‐discharge (DOD) in 1 m NaPF 6 in G2, with 15 mAh cm −2 at 1 mA cm −2 and Coulombic efficiency (CE) of 99.4%, for 1000 h of plating/stripping. Sodium‐metal batteries (SMBs) with NST‐Na and Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 (NVP) or sulfur cathodes give significantly improved energy, cycling, and CE (>99%). An anode‐free battery with NST collector and NVP obtains 0.23% capacity decay per cycle. Imaging and tomography using conventional and cryogenic microscopy (Cryo‐EM) indicate that the sodium metal fills the open space inside the self‐supporting sodiophilic NST skeleton, resulting in dense (pore‐free and solid electrolyte interphase (SEI)‐free) metal deposits with flat surfaces. The baseline Na deposit consists of filament‐like dendrites and “dead metal”, intermixed with pores and SEI. Density functional theory calculations show that the uniqueness of NST lies in the thermodynamic stability of the Na atoms (rather than clusters) on its surface that leads to planar wetting, and in its own stability that prevents decomposition during cycling.
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