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Visualizing the growth process of sodium microstructures in sodium batteries by in-situ 23Na MRI and NMR spectroscopy

电解质 电化学 材料科学 过电位 钠离子电池 微观结构 化学工程 化学 分析化学(期刊) 电极 物理化学 冶金 有机化学 工程类 法拉第效率
作者
Yuxuan Xiang,Guorui Zheng,Ziteng Liang,Yanting Jin,Xiangsi Liu,Shijian Chen,Ke Zhou,Jianping Zhu,Min Lin,Huajin He,Jiajia Wan,Shenshui Yu,Guiming Zhong,Riqiang Fu,Yangxing Li,Yong Yang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:15 (10): 883-890 被引量:136
标识
DOI:10.1038/s41565-020-0749-7
摘要

The growth of sodium dendrites and the associated solid electrolyte interface (SEI) layer is a critical and fundamental issue influencing the safety and cycling lifespan of sodium batteries. In this work, we use in-situ 23Na magnetic resonance imaging (MRI) and nuclear magnetic resonance (NMR) techniques, along with an innovative analytical approach, to provide space-resolved and quantitative insights into the formation and evolution of sodium metal microstructures (SMSs; that is, dendritic and mossy Na metal) during the deposition and stripping processes. Our results reveal that the growing SMSs give rise to a linear increase in the overpotential until a transition voltage of 0.15 V is reached, at which point violent electrochemical decomposition of the electrolyte is triggered, leading to the formation of mossy-type SMSs and rapid battery failure. In addition, we determined the existence of NaH in the SEI on sodium metal with ex-situ NMR results. The poor electronic conductivity of NaH is beneficial for the growth of a stable SEI on sodium metal. Magnetic resonance imaging and spectroscopy provide quantitative insights into the growth of sodium microstructures in batteries.
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