西北工业大学王洪强、徐飞、苏延霞团队，AEM文章：具有超稳定界面的SnF2改性超薄电解质用于固态钠金属电池

第一作者：张谨博

通讯作者：苏延霞*，徐飞*，王洪强*

单位：西北工业大学

固态钠电池因资源丰富、成本低廉被视为下一代储能技术的重要方向，其中聚环氧乙烷（PEO）基固体聚合物电解质因其良好的柔韧性和可加工性备受关注。然而其实用化面临两大核心障碍：一方面，钠离子较大的离子半径和较低的路易斯酸性导致固体电解质界面（SEI）不稳定、持续动态重构，引发枝晶生长和界面腐蚀，电池性能迅速衰减；另一方面，传统增厚或增强电解质的方案往往牺牲了能量密度，而超薄电解质又普遍机械强度不足，难以有效抑制枝晶。针对这一矛盾，本研究提出了一种新型超薄复合聚合物电解质设计，通过将SnF₂引入PEO并复合至超薄聚乙烯（PE）骨架中，构建出PEO-SnF₂@PE电解质。该设计利用SnF₂诱导形成富含Na₁₅Sn₄/NaF的稳定SEI层，促进钠离子均匀沉积；同时PE骨架提供了高达35 MPa的拉伸强度和结构支撑，使电解质在仅20 µm的厚度下仍具备优异的枝晶抑制能力。这项工作通过功能添加剂与机械强韧骨架的协同，为发展兼具高安全性与高能量密度的长寿命固态钠电池提供了新的设计思路。

近日，来自西北工业大学的王洪强、徐飞、苏延霞团队，在能源材料领域国际顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为“SnF₂-Modified Thin Composite Electrolyte With Ultra-Stable Interface for Solid-State Sodium Batteries”的研究文章。该研究表明，将SnF₂作为功能添加剂与柔性高强度支撑层相结合，能有效缓解固态聚合物电解质中的界面不稳定性和枝晶扩展，为长寿命固态钠金属电池提供了新的设计原则。

通过采用“功能性添加剂+多孔支撑骨架” 的双重策略，同步应对固态钠电解质中界面副反应和枝晶穿刺两大挑战。化学修饰端主要是通过在PEO电解质基体中掺入少量SnF₂添加剂，定量化的研究发现，其主要作用于电解质/Na界面而非PEO体相，旨在原位构筑高质量SEI。物理强化端则是通过将电解质前驱体复合物灌注至超薄（14 μm）、高孔隙率的聚乙烯骨架中。该骨架化学惰性，主要提供卓越的机械支撑。通过双重策略最终获得的PEO-4SnF₂@PE电解质膜，在保持极薄厚度（20 μm） 和低面密度（1.9 mg cm⁻²） 的同时，实现了超高拉伸强度（35 MPa），有效解决了传统溶液浇筑法获得的聚合物电解质中“减薄厚度”与“提高机械强度”无法兼顾的问题。

SnF₂添加剂的核心作用在于与钠金属接触后，发生可控的原位反应，构建了一个多层、多功能的稳定界面相。通过原位XRD及多种界面表征手段发现，电解质膜与Na电极接触后，电解质表面的SnF₂组分被钠还原，生成金属Sn和NaF；Sn进一步与Na合金化，最终形成热力学稳定的Na₁₅Sn₄合金与NaF的复合SEI层。其中，Na₁₅Sn₄：作为高速Na+传输通道，具有优异的亲钠性和极高的钠离子扩散能力（DFT计算扩散势垒仅0.33 eV）。大幅降低成核过电位（趋近于0 mV），引导钠离子均匀沉积。NaF则作为SEI层中的坚固屏障，具有高离子电导和高机械模量。类似“隔离墙”，能有效阻隔电子传输，并物理阻挡枝晶。实现超高稳定性的界面，该复合SEI使界面阻抗降低60%以上，钠离子扩散系数提升两个数量级，实现了界面离子流的均质化和高速化。

该一体化设计在电池性能上带来了里程碑式的提升，尤其在循环寿命方面树立了新标杆。对称电池创纪录寿命：采用该电解质的钠对称电池，在0.1 mA cm^-2的电流密度下，实现了超过10,800小时（约450天） 的稳定循环，且极化电压极小。其临界电流密度也达到1.0 mA cm^-2，显示出高功率潜力。全电池性能卓越：匹配Na₃V₂(PO₄)₃正极的全电池，在0.5 C倍率、60°C条件下循环500圈后，容量保持率高达97.6%，平均每圈衰减仅0.0048%。组装成的软包电池在弯曲、剪切等滥用测试后仍能正常工作，体现了高安全性和可靠性。

本工作通过“界面化学修饰”与“本体力学强化”一体化设计，为固态聚合物电池的界面问题提供了普适性解决思路。未来研究可沿此路径，探索更多功能添加剂与高强度骨架材料的组合，并借助原位表征与计算模拟，向构建更具自适应能力的“智能界面”迈进，加速推动高能量密度、本质安全的固态电池走向实际应用。

SnF₂-Modified Thin Composite Electrolyte With Ultra-Stable Interface for Solid-State Sodium Batteries

苏延霞：博士毕业于西北工业大学，现为西安文理学院教授。其主要研究领域为功能材料的设计与制备，具体研究方向涵盖固态电解质、锂离子电池、钠离子电池和电池回收等。目前，已在 Adv. Energy Mater.、Nano-Micro Lett.、Chem. Eng. J. 等国际知名期刊上发表学术论文10余篇。

徐飞教授：西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，德国洪堡学者。于2015年在中山大学获博士学位，2012-2014年以国家公派在日本分子科学研究所从事博士联合培养，2018-2020年在德累斯顿工业大学从事洪堡博士后研究，主要从事功能多孔聚合物和碳材料的分子设计、可控制备及物化性能研究，在新能源材料与器件和吸附分离等基础应用领域积累了研究经验，共发表SCI论文100余篇，总引用5400余次，其中以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等SCI期刊发表论文50余篇。申请中国发明专利15项（授权11项）。受聘担任陕西省纳米学会常务理事、《SusMat》与《Carbon Energy》等青年编委等职。

王洪强教授：西北工业大学教授，材料学院副院长，国家万人计划创新领军人才。入选国家海外高层次青年人才、德国洪堡学者及欧盟玛丽居里学者。长期从事液相激光制造与低碳能源器件研究，在Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.等国际重要期刊发表SCI论文160余篇，总引用8000余次，H因子51。申请中国、日本发明专利30项（授权21项）。担任总装材料专家组成员、中国体视学学会材料科学分会副主任委员、陕西省一带一路国际联合实验室主任、陕西省学科创新引智基地负责人JPhys. Mater.国际编委等职，入选英国皇家化学会会士。