含钠空位的新型钠固体电解质

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含钠空位且具有高钠原子位移参数的Na3SbS4的结构示意图

作为绿色可再生能源与高效储能的支撑技术,大型储能电池的研究受到了广泛关注。但随着电池尺寸的增大,易燃、泄漏等在商用有机电解液中存在的不安全因素将被放大。使用固体电解质的全固态电池不仅能解决该问题,而且可通过层叠串联制备大电压单体电池,缩小电池体积。另一方面,相比锂金属的低储量和高成本,钠金属分布广泛且价格低廉。因此,使用固体电解质的全固态钠电池非常适用于间歇型能源、智能电网等需要大型储能的领域。然而,现有的钠固体电解质在室温下的离子电导率普遍偏低,成为限制全固态钠电池发展的重要因素。

近期,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室的张隆教授及其团队制备了四方相结构的Na3SbS4钠超快离子导体。研究发现,该材料不仅具有较大的晶格常数和类三维的钠传输通道,而且在2a (0, 0, 0)位置存在钠空位,首次从实验角度验证了空位在钠超快离子导体中存在的假设。在其结构中,两种不同占位(2a和4d)的钠原子都具有明显大于锑和硫原子的原子位移参数(ADP),从而保证了钠离子的快速输运,使得该化合物在室温下的离子电导率高达3 mS/cm,优于其它硫化物快离子导体。此外,由于电子对整体电导率的贡献可以忽略不计,该材料为纯离子导体,有望应用于全固态钠电池。相关结果在线发表在Advanced Science 上(DOI: 10.1002/advs.201600089)。