鈉-鉀電解質界面相實現室溫/0°C固態鈉金屬電池

【研究背景】

基于無機固態電解質的金屬電池因其能量密度和安全性的優勢在電化學儲能領域具有巨大應用潛力。然而，一般的固態金屬電池（SSBs）在實際研究中發現在界面穩定性和低溫循環性能等方面仍需要進行改進以滿足商業化應用的需求。

【工作介紹】

近日，北京理工大學趙永杰副教授的研究團隊通過在金屬鈉負極和NASICON型Na3Zr2Si2PO12（NZSP）陶瓷電解質界面處原位構建Na-K界面相，有效促進界面載流子的傳輸動力學，鈉金屬枝晶的生長受到有效抑制?；谝陨?，固態鈉金屬電池在室溫和0oC下實現長時間和高效率循環。該文章發表在國際期刊AdvancedEnergyMaterials上。博士研究生倪青為本文第一作者，通訊作者為北京理工大學材料學院趙永杰副教授和金海波教授。

【內容表述】

（1）該研究論文中，首先設計了一種局部靶向錨定策略，通過FESEM和TOF-SIMS等手段證明了NZSP氧化物陶瓷電解質與鈉金屬負極界面處的Na-K界面相的產生，該策略利用這種原位生成Na-K界面相，顯著提升了固態鈉金屬電池的循環穩定性和低溫性能。

（2）通過理論計算和實驗實踐，創造性地實現在NZSP鈉離子陶瓷電解質中K+的痕量傳輸；K+的存在有利于降低NZSP陶瓷電解質中Na+的協同轉移勢壘。

（3）對比K2MnFe(CN)6(KMF)匹配NZSP陶瓷電解質的固態電池和Na2MnFe(CN)6(NMF)基固態電池可以發現KMF基固態電池在25°C和0°C下均具有良好的電化學性能，這是由于形成Na-K界面相的原位構筑有效抑制了鈉金屬枝晶的生長，FESEM和TOF-SIMS也表明KMF基固態電池中的Na沉積行為更穩定。

圖1.金屬負極/陶瓷電解質界面演化示意圖及局部靶向錨定策略。

圖2.（a-b）CINEB計算的Na+離子在NZSP電解質中的遷移示意圖及能壘；（c-d）CINEB計算的K+離子在NZSP中遷移示意圖及能壘。

圖3.(a-c)NMF基固態鈉金屬電池的電化學性能；(d-j)KMF基固態鈉金屬電池的電化學性能。

QingNi,YongnanXiong,ZhengSun,ChenSun,YangLi,XuanyiYuan,HaiboJin,YongjieZhao,RechargeableSodiumSolid-StateBatteryEnabledbyInSituFormedNa–KInterphase,AdvancedEnergyMaterials,2023.

https://doi.org/10.1002/aenm.202300271

作者簡介

第一作者：倪青博士研究生，北京理工大學材料學院

主要從事高比能量鈉離子正極材料和固態鈉金屬電池的研究。在Advanced Energy Materials、Small等期刊上發表論文多篇。

通訊作者：趙永杰副教授，北京理工大學材料學院

主要從事金屬氧化物功能材料的設計和性能關聯研究。截止目前，以第一作者和通訊作者身份在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、ACSCatalysis、Nano Letters、Nano Energy等雜志上發表SCI論文80余篇。申請獲批中國國家發明專利10余項，主持國家自然科學基金項目、企業委托技術開發等項目。擔任清華大學材料學院“先進材料國家級實驗教學示范中心”教學指導委員會委員，國產期刊RareMetals青年編委，期刊Batteries、Materials客座編輯。

通訊作者：金海波教授，北京理工大學材料學院

先后主持和完成國家863計劃課題、國防863計劃課題、國家自然科學基金、教育部科學研究重大項目、國防類項目等各類科研課題多余項作為通訊作者或第一作者在AdvancedMaterials等材料類專業期刊發表SCI論文100余篇，SCI他引一萬余次，獲授權專利15項，作為主編出版教材2部。先后入選教育部新世紀人才、北京市科技新星、北京市優秀人才等支持計劃、國家萬人計劃。

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