Published May 24, 2021
| Version v1
Publication
Open
Probing the Na metal solid electrolyte interphase via cryo-transmission electron microscopy
Creators
- 1. Southern University of Science and Technology
- 2. Peking University
- 3. DEVCOM Army Research Laboratory
Description
Abstract Cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) is a valuable tool recently proposed to investigate battery electrodes. Despite being employed for Li-based battery materials, cryo-TEM measurements for Na-based electrochemical energy storage systems are not commonly reported. In particular, elucidating the chemical and morphological behavior of the Na-metal electrode in contact with a non-aqueous liquid electrolyte solution could provide useful insights that may lead to a better understanding of metal cells during operation. Here, using cryo-TEM, we investigate the effect of fluoroethylene carbonate (FEC) additive on the solid electrolyte interphase (SEI) structure of a Na-metal electrode. Without FEC, the NaPF 6 -containing carbonate-based electrolyte reacts with the metal electrode to produce an unstable SEI, rich in Na 2 CO 3 and Na 3 PO 4 , which constantly consumes the sodium reservoir of the cell during cycling. When FEC is used, the Na-metal electrode forms a multilayer SEI structure comprising an outer NaF-rich amorphous phase and an inner Na 3 PO 4 phase. This layered structure stabilizes the SEI and prevents further reactions between the electrolyte and the Na metal.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد الفحص المجهري الإلكتروني للإرسال المبرد (CRYO - TEM) أداة قيمة تم اقتراحها مؤخرًا لفحص أقطاب البطارية. على الرغم من استخدامها لمواد البطاريات القائمة على Li، إلا أنه لا يتم الإبلاغ عن قياسات cryo - TEM لأنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية القائمة على Na. على وجه الخصوص، يمكن أن يوفر توضيح السلوك الكيميائي والمورفولوجي لإلكترود معدن الصوديوم الملامس لمحلول إلكتروليت سائل غير مائي رؤى مفيدة قد تؤدي إلى فهم أفضل للخلايا المعدنية أثناء التشغيل. هنا، باستخدام cryo - TEM، نقوم بالتحقيق في تأثير مادة إضافة كربونات الفلورو إيثيلين (FEC) على بنية الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) لإلكترود معدني Na. بدون FEC، يتفاعل الإلكتروليت المحتوي على NaPF 6 مع الإلكترود المعدني لإنتاج SEI غير مستقر، غني بـ Na 2 CO 3 و Na 3 PO 4 ، والذي يستهلك باستمرار خزان الصوديوم للخلية أثناء ركوب الدراجات. عند استخدام FEC، يشكل قطب Na - metal بنية SEI متعددة الطبقات تتألف من طور غير متبلور خارجي غني بـ NaF وطور Na 3 PO 4 داخلي. يعمل هذا الهيكل الطبقي على استقرار SEI ويمنع المزيد من التفاعلات بين الإلكتروليت ومعدن الصوديوم.Translated Description (French)
Résumé La microscopie électronique à transmission cryogénique (cryo-TEM) est un outil précieux récemment proposé pour étudier les électrodes de batterie. Bien qu'elles soient utilisées pour les matériaux de batterie à base de Li, les mesures cryo-TEM pour les systèmes de stockage d'énergie électrochimique à base de Na ne sont pas couramment rapportées. En particulier, l'élucidation du comportement chimique et morphologique de l'électrode de métal Na en contact avec une solution d'électrolyte liquide non aqueuse pourrait fournir des informations utiles qui pourraient conduire à une meilleure compréhension des cellules métalliques pendant le fonctionnement. Ici, en utilisant cryo-TEM, nous étudions l'effet de l'additif de carbonate de fluoroéthylène (FEC) sur la structure d'interphase d'électrolyte solide (SEI) d'une électrode de métal Na. Sans FEC, l'électrolyte à base de carbonate contenant du NaPF 6 réagit avec l'électrode métallique pour produire un SEI instable, riche en Na 2 CO 3 et Na 3 PO 4 , qui consomme constamment le réservoir de sodium de la cellule pendant le cyclage. Lorsque le FEC est utilisé, l'électrode de métal Na forme une structure SEI multicouche comprenant une phase amorphe externe riche en NaF et une phase interne Na 3 PO 4. Cette structure en couches stabilise le SEI et empêche d'autres réactions entre l'électrolyte et le métal Na.Translated Description (Spanish)
Resumen La microscopía electrónica de transmisión criogénica (cryo-TEM) es una valiosa herramienta propuesta recientemente para investigar los electrodos de la batería. A pesar de emplearse para materiales de baterías a base de Li, las mediciones de crio-TEM para sistemas de almacenamiento de energía electroquímica a base de Na no se informan comúnmente. En particular, dilucidar el comportamiento químico y morfológico del electrodo de Na-metal en contacto con una solución de electrolito líquido no acuoso podría proporcionar información útil que puede conducir a una mejor comprensión de las celdas metálicas durante el funcionamiento. Aquí, utilizando crio-TEM, investigamos el efecto del aditivo de carbonato de fluoroetileno (FEC) en la estructura de interfase de electrolito sólido (SEI) de un electrodo de Na-metal. Sin FEC, el electrolito a base de carbonato que contiene NaPF 6 reacciona con el electrodo metálico para producir un SEI inestable, rico en Na 2 CO 3 y Na 3 PO 4 , que consume constantemente el depósito de sodio de la celda durante el ciclo. Cuando se usa FEC, el electrodo de Na-metal forma una estructura SEI multicapa que comprende una fase amorfa externa rica en NaF y una fase interna de Na 3 PO 4. Esta estructura en capas estabiliza el SEI y evita más reacciones entre el electrolito y el metal Na.Files
s41467-021-23368-6.pdf.pdf
Files
(3.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:699b828d096ae764491d7b5b0f9936f3
|
3.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- فحص الطور البيني للكهارل الصلبة لمعدن الصوديوم عبر المجهر الإلكتروني للإرسال بالتبريد
- Translated title (French)
- Sondage de l'interphase de l'électrolyte solide métallique Na par microscopie électronique à cryotransmission
- Translated title (Spanish)
- Sondeo de la interfase del electrolito sólido de metal Na mediante microscopía electrónica de criotransmisión
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3164331806
- DOI
- 10.1038/s41467-021-23368-6
References
- https://openalex.org/W1967860036
- https://openalex.org/W1992332971
- https://openalex.org/W1993910016
- https://openalex.org/W2000581562
- https://openalex.org/W2032100925
- https://openalex.org/W2032952916
- https://openalex.org/W2040959430
- https://openalex.org/W2046046325
- https://openalex.org/W2064944782
- https://openalex.org/W2067601560
- https://openalex.org/W2071466669
- https://openalex.org/W2089280395
- https://openalex.org/W2091875228
- https://openalex.org/W2104814752
- https://openalex.org/W2115051863
- https://openalex.org/W2117213484
- https://openalex.org/W2161736871
- https://openalex.org/W2169211003
- https://openalex.org/W2345817533
- https://openalex.org/W2395555397
- https://openalex.org/W2403957028
- https://openalex.org/W2474273308
- https://openalex.org/W2491525726
- https://openalex.org/W2517357346
- https://openalex.org/W2587767928
- https://openalex.org/W2603442821
- https://openalex.org/W2765279177
- https://openalex.org/W2789530326
- https://openalex.org/W2796282060
- https://openalex.org/W2802201175
- https://openalex.org/W2851304407
- https://openalex.org/W2885325318
- https://openalex.org/W2885882759
- https://openalex.org/W2891379241
- https://openalex.org/W2897015245
- https://openalex.org/W2899054965
- https://openalex.org/W2903335095
- https://openalex.org/W2907618334
- https://openalex.org/W2909731297
- https://openalex.org/W2928415750
- https://openalex.org/W2976289009
- https://openalex.org/W2981565008
- https://openalex.org/W3006981378
- https://openalex.org/W4287713588