A 3D Hierarchical Host with Enhanced Sodiophilicity Enabling Anode‐Free Sodium‐Metal Batteries

材料科学 法拉第效率 阳极 成核 阴极 碳纤维 剥离(纤维) 金属 化学工程 纳米颗粒 纳米技术 电极 冶金 复合材料 物理化学 化学 工程类 复合数 有机化学
作者
Kyungbin Lee,Young Jun Lee,Michael J. Lee,Junghun Han,Jeonghoon Lim,Kun Ryu,Hana Yoon,Byung‐Hyun Kim,Bumjoon J. Kim,Seung Woo Lee
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (14) 被引量:154
标识
DOI:10.1002/adma.202109767
摘要

Sodium-metal batteries (SMBs) are considered as a compliment to lithium-metal batteries for next-generation high-energy batteries because of their low cost and the abundance of sodium (Na). Herein, a 3D nanostructured porous carbon particle containing carbon-shell-coated Fe nanoparticles (PC-CFe) is employed as a highly reversible Na-metal host. PC-CFe has a unique 3D hierarchy based on sub-micrometer-sized carbon particles, ordered open channels, and evenly distributed carbon-coated Fe nanoparticles (CFe) on the surface. PC-CFe achieves high reversibility of Na plating/stripping processes over 500 cycles with a Coulombic efficiency of 99.6% at 10 mA cm-2 with 10 mAh cm-2 in Na//Cu asymmetric cells, as well as over 14 400 cycles at 60 mA cm-2 in Na//Na symmetric cells. Density functional theory calculations reveal that the superior cycling performance of PC-CFe stems from the stronger adsorption of Na on the surface of the CFe, providing initial nucleation sites more favorable to Na deposition. Moreover, the full cell with a PC-CFe host without Na metal and a high-loading Na3 V2 (PO4 )3 cathode (10 mg cm-2 ) maintains a high capacity of 103 mAh g-1 at 1 mA cm-2 even after 100 cycles, demonstrating the operation of anode-free SMBs.
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