昆明理工大学周皇凯/梁风CEJ：等离子体辅助硅氧化物界面工程助力钠离子电池高倍率长循环

钠离子电池因其资源丰富、成本低和与锂离子电池相似的工作原理，成为锂离子电池在储能领域的有力补充。Na₃V₂₍PO₄)₃因结构稳定、容量高和电压适中而受到广泛关注。然而，循环过程中正极-电解质界面的副反应导致副产物生成，阻碍钠离子传输并加速材料退化，限制其实际应用。因此，抑制界面副反应对提升钠离子电池性能至关重要。为改善界面稳定性与离子传输动力学，研究者常采用调控晶体结构、添加电解质添加剂及构建人工界面层等策略。其中，构建硅氧化物人工界面层具有显著优势，因其兼具高离子导电性和良好绝缘性，可有效降低界面阻抗并抑制副反应。尽管已有多种方法用于引入硅氧化物层，如添加电解液添加剂或溶胶-凝胶法，但这些方法往往难以实现均匀、可控的沉积，且工艺复杂，不利于工业放大。因此，开发一种简单、无损且可大规模应用的界面改性方法仍是当前研究的关键挑战。

基于此，梁风教授团队采用介质阻挡放电等离子体技术，在Na₃V₂₍PO₄)₃/C复合电极表面沉积了富含硅羟基（Si–OH）的硅氧化物层。该硅氧化物层通过其Si–O–Si结构的绝缘特性，有效抑制了界面副反应，显著提升了钠离子电池的循环稳定性。同时，硅羟基官能团的存在增强了Na⁺的吸附能力，促进了正极-电解质界面处的脱溶剂化过程，从而改善了界面离子传输动力学。经等离子体改性的NVP/C电极在20C倍率下表现出88.9 mAh g⁻¹的初始放电比容量，并在4000次循环后仍保持87.4%的容量，展现出优异的长循环性能。此外，电池在40C高倍率下仍具有75.8 mAh g⁻¹的放电比容量，极化电压约为399 mV，表明其具有较低的界面阻抗和良好的倍率性能。这一结果证实了DBD等离子体表面沉积技术在优化正极材料界面特性方面的有效性，为高性能钠离子电池的设计提供了新思路。

本研究提出了一种新颖且高效的界面工程策略，利用介质阻挡放电（DBD）等离子体技术在Na₃V₂₍PO₄)₃/C（NVP/C）正极材料表面沉积含硅羟基（Si–OH）的硅氧化物层。该方法无需高温或复杂工艺，在常压下即可实现均匀、厚度可控的功能化涂层沉积。通过XPS、FTIR和ToF-SIMS等表征手段，证实了Si–OH官能团的存在及其对钠离子的有效吸附能力。这种基于等离子体的表面修饰技术不仅操作简便、环保，而且具备良好的工业应用前景，为高性能钠离子电池界面调控提供了新思路。

实验与理论计算相结合表明，硅氧化物层中的Si–OH基团具有较强的电负性，能够有效吸附电解液中的Na⁺离子，降低其脱溶剂化的能垒。GITT和EIS结果显示，优化后的NVP/C-T4样品在20C倍率下的Na⁺扩散系数较原始材料提高了一个数量级，活化能从56.71 kJ mol⁻¹降至23.56 kJ mol⁻¹。CV测试也验证了这一改性策略显著提升了反应动力学行为。这些结果表明，硅羟基在改善电极/电解质界面离子传输方面发挥了关键作用，是提升电池倍率性能的重要机制。

通过对长期循环后电极的SEM、EIS和XPS深度剖析发现，未改性的NVP/C材料在循环过程中发生严重副反应，形成厚而不稳定的阴极-电解质界面（CEI），导致容量快速衰减。而经过DBD等离子体处理的NVP/C-T4样品展现出更薄、更稳定的人工CEI层，其界面阻抗在整个循环过程中保持较低水平。在20C条件下循环4000圈后，NVP/C-T4仍保留87.4%的初始容量，远优于未改性样品（1500圈后仅17.1%）。这充分证明了硅氧化物界面层在抑制电解液分解、减少副产物积累方面的有效性，为长寿命钠离子电池设计提供了有力支撑。

周皇凯简介：昆明理工大学特聘教授，博士毕业于日本东京工业大学。2024年加入昆明理工大学冶金与能源学院真空冶金国家工程研究中心。主要研究方向为薄膜电池、中子反射率表征，固-液与固-固界面结构，全固态电池关键材料开发及电池制备技术。主持云南省科技厅青年科学基金项目。2020年起在日本东京工业大学科学技术创成研究院全固态电池研究中心菅野了次(Kanno Ryoji)教授团队，从事锂离子电池电极-电解质界面结构、中子反射率界面表征，固态电解质和全固态电池的制备与研发。研究成果在Adv. Energy Mater., Adv. Mater. Interfaces., Commun. Mater., Adv. Funct. Mater. 等期刊上发表。

梁风简介：昆明理工大学教授，日本九州大学客座教授，博士生导师，现任昆明理工大学冶金与能源工程学院副院长，入选国家级“重大人才工程”青年学者、人社部高层次留学回国人才、云南省高端科技人才、云南省杰青、云南省“兴滇英才支持计划”产业创新人才等人才计划。任云南省中日等离子体国际联合实验室主任，云南省教育厅等离子冶金及材料重点实验室主任，中国稀土学会稀土晶体专委会副主任委员等。从事等离子体制备与改性能源材料、钠基电池及材料、等离子体冶金等方面的研究。以第一/通讯在Nat. Commun., Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等期刊发表学术论文110余篇，授权国家发明专利15件，美国专利7件，日本专利2件。

吴越，昆明理工大学梁风教授课题组硕士研究生，研究方向为等离子体在电极材料改性中的应用研究。

课题组主要研究方向为等离子冶金与材料物理化学；固态电池、金属空气电池关键材料制备及器件开发；等离子体制备与改性材料在储能器件上的应用。隶属于真空冶金国家工程研究中心，团队先后入选科技部重点领域创新团队、“国家高层次人才”创新团队、全国高校黄大年式教师团队、云南省创新团队、云南省顶尖团队，荣获“全国专业技术人才先进集体”和全国“工人先锋号”等称号。