北京科技大学周丹团队 AFM：调控NZSP固态电解质晶界载流子传输构建稳定固态钠电池

第一作者：白欣雨

通讯作者：周丹

单位：北京科技大学

固态钠金属电池因其高安全性、低成本和钠资源丰富等优势，被认为是下一代储能体系的重要方向。然而，固态电解质中钠离子传输效率低、钠枝晶生长等问题严重制约其实际应用。NASICON型电解质Na₃Zr₂Si₂PO₁₂（NZSP）虽具备良好的离子电导率和稳定性，但其晶界处较差的离子传输和电子泄漏问题仍导致钠枝晶易于成核与生长。如何有效调控晶界处的载流子传输行为，是实现高性能固态钠电池的关键挑战。

近日，北京科技大学周丹团队在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Regulation of Carrier Transport at Grain Boundaries of Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ Solid Electrolyte with Ionic Conductor Filler for Superior Solid-State Sodium Batteries”的研究论文。该工作创新性地引入离子导体Na₃AlF₆（NAF）作为晶界填料，构建三维离子传输网络，显著提升了NZSP电解质的离子电导率与抗枝晶能力，实现了固态钠电池的超长循环稳定性。

通过引入Na₃AlF₆填料，在烧结过程中形成第二相填充晶界，不仅提升了电解质的致密性，还构建了连续的Na⁺传输通道。优化后的NZSP-3%NAF电解质在室温下离子电导率高达1.08×10⁻³ S cm⁻¹，活化能降低至0.296 eV。电解质硬度和杨氏模量显著提升，断裂韧性从 1.547 MPa m¹/² 增至 2.019 MPa m¹/²，抗枝晶机械应力能力得到改善。

对称电池在0.1 mA cm⁻²下实现了超过8000小时的超长循环，临界电流密度提升至1.05 mA cm⁻²。

NAF的填充使钠离子在晶界区域的迁移能垒从 0.39-0.51 eV 降至 0.27-0.38 eV，加速离子传输。同时拓宽电解质带隙，电子电导率降至 9.33×10⁻⁹ S・cm⁻¹，抑制钠离子在晶界还原沉积。

Regulation of Carrier Transport at Grain Boundaries of Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ Solid Electrolyte with Ionic Conductor Filler for Superior Solid-State Sodium Batteries

周丹简介：北京科技大学副教授、硕士生导师。主要从事先进能源材料与器件领域的研究工作（包括：锂、钠、钾离子电池；水系锌离子电池；全固态电池等）。以第一/通讯作者身份在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage materials, Advanced Science, Nano Energy, Small等国际期刊发表SCI论文60余篇，申请发明专利15项（已授权3项）。

白欣雨, 北京科技大学2022届硕士研究生，研究方向为氧化物固态电解质的材料设计与界面优化。在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Small期刊发表SCI论文3篇，申请公开发明专利3项。