Oriented Porous NASICON 3D Framework via Freeze-Casting for Sodium-Metal Batteries

材料科学 快离子导体 电解质 电化学 曲折 阴极 化学工程 多孔性 电池(电) 电极 复合材料 冶金 功率(物理) 物理化学 化学 工程类 物理 量子力学
作者
Eldho Edison,Annapaola Parrilli,Elena Tervoort,Henrik Eliasson,Markus Niederberger
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 32313-32319 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03583
摘要

Sodium-metal batteries are promising candidates for low-cost, large-format energy storage systems. However, sodium-metal batteries suffer from high interfacial resistance between the electrodes and the solid electrolyte, leading to poor electrochemical performance. We demonstrate a sodium superionic conductor (NASICON) with an oriented porous framework of sodium aluminum titanium phosphate (NATP) fabricated by the freeze-casting technique, which shows excellent properties as a solid electrolyte. Using X-ray computed tomography, we confirm the uniform low-tortuosity channels present along the thickness of the scaffold. We infiltrated the porous NATP scaffolds with sodium vanadium phosphate (NVP) cathode nanoparticles achieving mass loadings of ∼3-4 mg cm-2, which enables short sodium ion diffusion path lengths. For the resulting hybrid cell, we achieved a capacity of ∼90 mAh g-1 at a specific current of 50 mA g-1 (∼300 Wh kg-1) for over 100 cycles with ∼94% capacity retention. Our study offers valuable insights for the design of hybrid solid electrolyte-cathode active material structures to achieve improved electrochemical performance through low-tortuosity ion transport networks.
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