Small:针对钠离子电池固态电解质的晶界相调控策略

固态电池是未来储能领域发展的重要方向之一。其关键在于设计合成高性能的固体电解质,并解决固体电解质与电极材料的界面问题。NASICON型钠离子固体电解质于1976年由Goodenough教授团队提出,至今已被广泛研究。通过掺杂、复合、烧结行为调控等方式,NASICON型钠离子固体电解质的室温离子电导率显著提升,最高可达到5 mS cm-1,性能水平接近传统液态钠离子电解质。近年来,研究人员关注NASICON固体电解质与钠金属负极的界面问题,尝试通过表面处理、化学改性、使用合金钠负极、施加压力或提高温度来增强界面接触,降低界面电阻,实现钠金属稳定沉积/解离循环。然而,以上方法成功的案例并不多见。特别是在室温高电流密度条件下的超长时稳定循环,仍未见报道。

北京理工大学金海波教授团队和曲良体教授团队提出了一种基于NASICON型钠离子固体电解质的晶界相调控策略,利用Mg2+过量掺杂在Na3Zr2Si2PO12晶界处析出第二相Na3-2δMgδPO4。该晶界相的存在不仅促进Na3Zr2Si2PO12的致密化烧结,降低晶界离子迁移势垒,同时有利于形成固体电解质的钠亲和表面,稳固和减小与钠金属的界面电阻。进一步研究表明,钠沉积/解离循环过程中,界面形成Na3-2δMgδPO4为主的过渡界面层,能够抑制电子电导和内部枝晶形成。在室温条件下,最优NZSP-0.2Mg固体电解质的极限电流达到0.95 mA cm-2,与钠金属组装对称电池,能够在0.3 mA cm-2电流密度下保证7000 h超长时稳定的钠沉积/解离循环,极化电压仅80 mV。并且,该固体电解质能够与塑晶复合NaCrO2正极良好兼容,组装室温全固态钠金属电池,在1 C和5 C倍率下均具有优异的循环性能。该研究工作对于设计合成高性能的固体电解质具有重要指导意义,对固态钠电池的研发应用具有推动作用。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(52072033, 51602023, 51772029, 51972029, 22075019)、中国博士后科学基金项目的支持。

论文信息:

Grain Boundary Design of Solid Electrolyte Actualizing Stable All-Solid-State Sodium Batteries

Chengzhi Wang, ,Zheng Sun, Yongjie Zhao*, Boyu Wang, Changxiang Shao, Chen Sun, Yang Zhao,* Jingbo, Li, Haibo Jin, Liangti Qu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103819

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202103819