Твердоэлектролитные натрий‑металлические аккумуляторы, натрий‑серные и натрий‑воздушные батареи на основе натриевого анода представляют собой перспективные технологии хранения энергии, способные превзойти литий‑ионные аккумуляторы; в будущем они могут быть применены в электромобилях и системах накопления энергии. Однако неконтролируемый рост натриевых дендритов препятствует развитию натриевых аккумуляторных систем, а вопросы, связанные с натриевыми дендритами и соответствующей интерфейсной областью анод–электролит, остаются до сих пор неясными.

Группа исследователей под руководством профессора Хуана Цзяньюя из Яньшаньского университета, используя передовые методы визуализации с помощью экологической трансмиссионной электронной микроскопии in situ, изучила процесс осаждения и выделения натрия (plating/stripping) и установила, что на ранних стадиях осаждения металлический натрий формирует многогранные структуры, при этом на поверхности преимущественно проявляются плоскости кристаллографического направления {100}. В ходе процесса выделения натрия (stripping) его слои последовательно отслаиваются по плоскостям {110}, а по мере дальнейшего отслоения, достигая углов многогранника, переходят на плоскости {112}. Процессы осаждения и выделения натрия существенно отличаются от аналогичных процессов у литиевого металла. Теоретическое моделирование методом DFT показывает, что осаждение и выделение натрия происходят по пути минимальной энергии либо в соответствии с законом Вульфа; особая форма образующихся структур в ходе осаждения обусловлена совместным действием скорости осаждения атомов и массового потока. Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A под названием «In situ imaging the dynamics of sodium metal deposition and stripping». Соавторами‑корреспондентами статьи выступили профессора Хуан Цзяньюй, Чжан Лицян и Тан Юнфу из Яньшаньского университета, а также профессор Дин Фэн из Корейского института фундаментальных наук; соавторами‑первым авторами стали Гэн Линь (1/2) и Чжао Чао (2/2).

Ссылка на оригинал: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA02513B

Рис. 1 В рамках настоящего исследования использовались средства компании ZepTools Пико Фемто Образцовые стержни серии ® для in situ‑ТЕМ и STM создают условия для проведения in situ‑исследований.

Рис. 2 Внутриядерная зарядка‑разрядка

Рис. 3 Внутриядерная зарядка‑разрядка

Рис. 4 Внутриядерная зарядка‑разрядка

Итак, контроль морфологии осаждения натрия в аккумуляторе и смягчение роста дендритов натрия представляют собой крайне важные задачи для натрий‑металлических батарей; данное in situ‑исследование имеет существенное значение для развития этой области. В ходе эксперимента натрий вырастал в атмосфере углекислого газа, при этом поверхность многогранных кристаллов натрия была покрыта слоем карбоната натрия, весьма сходным с SEI‑слоем в натрий‑ионных батареях. Исследователи установили, что форма осаждения натрия определяется совместным действием скорости атомного осаждения и массового потока; благодаря регулированию напряжения осаждения и окружающей среды можно управлять формой натриевого налёта, что открывает перспективы эффективного контроля за осаждением металлического натрия в будущем.

Это уже вторая работа группы профессора Хуана, посвящённая недавним исследованиям роста натриевых дендритов в условиях in situ; ранее мы опубликовали статью о механизме электрохимической освальдовой перекристаллизации при росте натриевых дендритов — подробности см. в предыдущей публикации. Выражаем благодарность доктору Гэну Линю за рецензирование материалов для нашего паблика!

Рис. 5 Исходный образцовый стержень, использованный в статье