Un électrolyte vitreux homogène électrochimiquement stable formé à température ambiante pour tous

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2854 (2022) Citer cet article

12 000 accès

29 citations

146 Altmétrique

Détails des métriques

Les batteries au sodium entièrement solides (ASSSB) sont des candidats prometteurs pour le stockage d’énergie à l’échelle du réseau. Cependant, il n’existe pas encore d’ASSSB commercialisés, en partie à cause du manque d’électrolyte solide (SE) peu coûteux et simple à fabriquer, doté d’une stabilité électrochimique vis-à-vis du métal Na. Dans ce travail, nous rapportons une famille de SE en verre oxysulfuré (Na3PS4−xOx, où 0 < x ≤ 0,60) qui présentent non seulement la densité de courant critique la plus élevée parmi tous les SE à base de sulfure conducteurs d'ions Na, mais permettent également des performances élevées. batteries sodium-soufre à température ambiante. En formant des unités d'oxygène de pontage, les Na3PS4−xOx SE subissent un frittage induit par pression à température ambiante, ce qui donne une structure de verre totalement homogène dotée de propriétés mécaniques robustes. De plus, l'interphase d'électrolyte solide auto-passivante à l'interface Na | SE est essentielle pour la stabilisation de l'interface ainsi que pour le placage et le décapage réversibles du Na. Les nouvelles stratégies de conception structurelle et compositionnelle présentées ici fournissent un nouveau paradigme dans le développement d’ASSSB sûrs, peu coûteux, à forte densité énergétique et à longue durée de vie.

Les batteries à faible coût offrant une sécurité élevée et une énergie spécifique sont de plus en plus demandées pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau1. Les batteries au sodium entièrement solides (ASSSB) utilisant des électrolytes solides (SE) ininflammables et des anodes métalliques au sodium abondantes dans la terre sont parmi les candidats les plus prometteurs et attirent donc l'attention des chercheurs du monde entier2,3,4,5. Jusqu’à présent, le seul exemple réussi de batterie à anode métallique Na commercialisée pour le stockage d’énergie à l’échelle du réseau est la célèbre batterie sodium-soufre à haute température6. À une température de fonctionnement élevée de > 300 °C, l'anode Na et la cathode S sont toutes deux liquides, ce qui augmente considérablement le coût opérationnel et diminue la sécurité en raison des incendies et des explosions potentiels provoqués par la défaillance catastrophique de la fine céramique SE7. En revanche, les ASSSB à température ambiante utilisant des anodes métalliques Na solides sont nettement plus souhaitables, non seulement en raison de leur moindre coût, mais également en raison de leur fonctionnement à plus basse température, T < 100 oC, ce qui leur permet d'être utilisés de manière plus sûre dans un contexte plus large. gamme d'applications. Cependant, lorsqu'il est utilisé de telle sorte que l'anode métallique Na soit maintenant à l'état solide, le SE doit non seulement être résistant aux réactions chimiques et électrochimiques directes avec Na, mais il doit également être résistant à la pénétration des dendrites de sodium métallique solide. Par conséquent, la recherche de nouveaux SE pour les ASSSB doit simultanément répondre aux exigences strictes de faible coût et de facilité de fabrication, mais également répondre à des exigences strictes de stabilité mécanique et chimique. Jusqu'à présent, aucun SE de sodium n'a été en mesure de répondre simultanément à ces quatre exigences et, par conséquent, le développement de SE stables tout en cyclant le Na métallique solide reste un défi de taille.

Les SE inorganiques peuvent être divisés en trois catégories : céramique, vitrocéramique et verre. Les SE céramiques tels que les oxydes de type β″-Al2O3 et NASICON présentent une excellente stabilité chimique vis-à-vis du métal Na. Néanmoins, leurs conductivités élevées en ions Na ne sont atteintes que lorsqu'ils sont traités à des densités proches de la théorie, nécessitant des températures de frittage supérieures à 1 500 °C pendant de longues heures, et sont soumis à une mauvaise mouillabilité avec le métal Na en raison de leur surface rigide et rugueuse. . De plus, il a été observé que le métal Na se propage préférentiellement le long de joints de grains distincts, formant des dendrites qui finissent par court-circuiter l'électrolyte (Fig. 1a). Cela a été une source de controverse dans le domaine des SE car ces SE d'oxyde céramique ont des modules mécaniques supérieurs à 200 GPa et fournissent des modules d'élasticité et de cisaillement plus que adéquats pour résister à la dendrite de Na. Les SE en vitrocéramique (par exemple, Na3PS4 traité thermiquement, simplifié en HT – Na3PS4) et d'autres SE sulfurés ont des surfaces souples qui présentent des joints de grains moins bien définis en raison de l'existence d'une certaine quantité d'une phase vitreuse (5–50 vol%), ce qui peut atténuer la formation et la croissance des dendrites. Il s'avère cependant que lorsque ces SE entrent en contact avec du Na métallique, ils se décomposent en une couche d'interphase d'électrolyte solide (SEI) instable 12, 13, 14, 15 (Fig. 1b). Pour ces raisons, les alliages Na comme Na – Sn sont souvent utilisés comme anode. Ces alliages augmentent la tension sur l'anode et diminuent la densité énergétique.