基于界面優(yōu)化設(shè)計的高安全長循環(huán)固態(tài)鈉電池研究

鈉離子電池具有耐低溫、高倍率、低成本等優(yōu)勢，但面臨能量密度的不足的短板。通過電池體系的固態(tài)化，引入高比能電極材料可使鈉電池能量密度提升至200Wh/kg以上，并與傳統(tǒng)鋰離子電池形成匹敵之勢。

固態(tài)鈉離子電池采用固體電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機電解液解決了電解液揮發(fā)和泄漏帶來的燃燒和爆炸等安全問題。同時，固體電解質(zhì)優(yōu)越的機械性能和熱/化學(xué)穩(wěn)定性能改善電池壽命和穩(wěn)定性及實現(xiàn)高能量正極與金屬鈉負(fù)極在固態(tài)鈉離子電池中匹配使用；此外，固體電解質(zhì)可實現(xiàn)電池設(shè)計簡化，不需要額外的電解液容器或隔膜組件，從而提升電池的能量密度。

然而，固體電解質(zhì)作為固態(tài)鈉離子電池的核心材料，目前仍面臨著室溫離子電導(dǎo)率低、電化學(xué)窗口窄、與電極界面相容性差和接觸差等問題。

因此，增強固體電解質(zhì)的Na⁺電導(dǎo)率、界面兼容性、界面穩(wěn)定性和降低界面阻抗是固態(tài)鈉離子電池性能提升和商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。其中，正極與固體電解質(zhì)界面阻抗主要源于接觸不緊密、充放電過程中電極體積效應(yīng)和空間電荷層等，界面穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)和界面元素相互擴散；而負(fù)極與SEs的界面問題主要為枝晶生長、界面接觸差和界面兼容性差等。

針對上述問題，目前一般通過表面涂層改性、電極組成調(diào)控、引入界面夾層、設(shè)計新型電池結(jié)構(gòu)等方法來降低SSBs界面阻抗和改善界面穩(wěn)定性。

正極/固體電解質(zhì)界面可以通過添加界面潤濕劑、制備復(fù)合正極材料和復(fù)合固體電解質(zhì)等方法來改善；負(fù)極/固體電解質(zhì)界面則可以通過表面涂層改性、構(gòu)建固體電解質(zhì)界面層、柔性電解質(zhì)夾層、復(fù)合負(fù)極材料來改善。

此外，固體電解質(zhì)與電極材料一體式結(jié)構(gòu)和界面原位固化是目前電極與固體電解質(zhì)界面實現(xiàn)原子級接觸的有效方法，可有效解決固態(tài)鈉離子電池界面Na⁺傳輸性能差和熱力學(xué)穩(wěn)定性差等問題。

2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024第二屆鈉離子電池材料技術(shù)研討會。屆時，來自上海大學(xué)的馮吳亮副研究員將作題為《基于界面優(yōu)化設(shè)計的高安全長循環(huán)固態(tài)鈉電池研究》的報告。固態(tài)鈉電池的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題均在于界面穩(wěn)定性，本報告將從界面相調(diào)控、電極與固體電解質(zhì)組分優(yōu)化入手，介紹提升界面穩(wěn)定性的重要策略。與此同時，結(jié)合鈉枝晶生長、活性鈉消耗、高阻抗等行業(yè)痛點，提供優(yōu)化設(shè)計思路，為構(gòu)筑高安全、長循環(huán)，并同時兼具高比能特征的固態(tài)鈉電池提供設(shè)計與發(fā)展思路。

專家簡介：

馮吳亮，男，上海大學(xué)副研究員，eScience、CarbonNeutralization期刊青年編委。曾就職于中國航天科技集團，從事動力型鋰離子電池及固態(tài)電池電芯研發(fā)一職，2022年加入上海大學(xué)理學(xué)院。主要研究方向為固態(tài)鋰/鈉電池、鋰/鈉離子固體電解質(zhì)、金屬鋰/鈉負(fù)極等。目前已在《德國應(yīng)用化學(xué)》、《美國化學(xué)會》、《先進材料》等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇；五項國家發(fā)明獲授權(quán)；主持及參與國家級、省部級以及校企聯(lián)合項目十余項。

參考來源：楊冬榮等《全固態(tài)鈉離子電池及界面改性》、翁偉《鈉離子硫化物固體電解質(zhì)的制備和電化學(xué)性能研究》等

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