固态钠电池新突破:构建基于Ca2+掺杂Na3Zr2Si2PO12固体电解质材料的高性能一体化全固态钠电池

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构建基于Ca2+掺杂Na3Zr2Si2PO12固体电解质材料的高性能一体化全固态钠电池

A HighPerformance Monolithic SolidState Sodium Battery with Ca2+ Doped Na3Zr2Si2PO12 Electrolyte

Yao Lu, Jose A. Alonso, Qiang Yi, Liang Lu, Zhong Lin Wang, Chunwen Sun

DOI: 10.1002/aenm.201901205

A high performance monolithic all solid-state sodium battery is designed by integrating a three dimensional (3D) Ca-doped Na3Zr2Si2PO12 (NZSP) electrolyte with sodium metal anode. It is found that the artificial sodiophilic surface and 3D ion-conductive framework enable tight interface contact between electrolyte and metal sodium, leading to the ultralow interfacial resistance. This unique approach is promising for advanced solid-state sodium batteries.

相比已经成功商业化应用的锂离子电池,全固态钠电池因其优异的安全特性、较高的能量密度和丰富的钠资源,在能源存储领域表现出巨大的潜力。使用固态钠离子电解质取代易燃的有机液态电解液,大大提高了电池的安全性。坚硬的固态电解质还可以阻隔枝晶,避免造成电池短路,因此可以在电池中使用高能量密度的金属Na作为负极材料。其中,由Goodenough教授等人发明的钠离子导体Na3Zr2Si2PO12被认为是最具潜力的固态电解质材料之一。目前,制约其应用于全固态钠电池的主要原因是较低的离子电导率以及与金属钠较高的接触电阻。现有技术主要通过在界面处加入少量液态电解液、引入聚合物界面层等方法来降低电解质与钠负极材料的界面电阻。尽管这些方法可以有效地降低界面电阻,但是仍不能实现安全高效的全固态电池。除此之外,目前,固体电解质的设计多是简单的平板式结构,固体电解质与金属Na负极很难紧密接触。

最近,中科院北京纳米能源与系统研究所孙春文研究员课题组设计构建了一种基于高性能Ca2+掺杂Na3Zr2Si2PO12固体电解质的一体化全固态钠电池。通过掺杂Ca2+,有效地调控了钠离子迁移通道,使得该固体电解质在室温下离子电导率 >10-3 S/cm。此外,基于此电解质材料,构建了由固体电解质致密层和具有亲钠表面的三维多孔支撑层构成的一体化结构,然后将将金属钠熔融浸渍到固体电解质多孔层中,形成了三维电子-离子传导网络,实现了电解质与金属钠的紧密接触,扩展了二者接触面积,同时为金属钠沉积预留了空间,使得全固态电池界面电阻大大降低并展现出优异的电化学性能。

相关成果以 “A High-performance Monolithic Solid-State Sodium Battery with Ca2+ Doped Na3Zr2Si2PO12 Electrolyte为题发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901205)上。中科院北京纳米能源与系统研究所孙春文研究员和王中林院士为共同通讯作者,卢瑶博士为第一作者。