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

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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 [Springer Nature]
卷期号:15 (10): 883-890 被引量:158
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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