复旦大学夏永姚/上海大学冯吴亮AEM：Zr掺杂诱导完全非晶化实现高稳定性全固态钠电池- 大数跨境

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复旦大学夏永姚/上海大学冯吴亮AEM：Zr掺杂诱导完全非晶化实现高稳定性全固态钠电池

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2025-08-27

导读：复旦大学夏永姚/上海大学冯吴亮AEM：Zr掺杂诱导完全非晶化实现高稳定性全固态钠电池

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文章信息

Zr掺杂诱导完全非晶化实现高稳定性全固态钠电池

第一作者：李乐

通讯作者：夏永姚，冯吴亮

单位：复旦大学，上海大学

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研究背景

全固态钠电池（ASSSBs）因钠资源丰富、较高的安全性以及能量密度而受到广泛关注。在其中，固态电解质是核心关键，但目前常见的卤化物基钠离子固体电解质往往由于结晶性较强，因此杨氏模量较大，导致缓慢的晶间及电解质/电极界面离子输运动力学过程，从而限制了电池整体性能的发挥。基于此，来自复旦大学的夏永姚、上海大学的冯吴亮团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Zr-Doping Induced Complete Amorphization toward Highly Stable All-Solid-State Sodium Batteries” 的研究文章。该工作通过对角线规则成功合成了完全无定形化的Na_1.33Ta_0.67Zr_0.33Cl₆（NTZC）固体电解质。Zr⁴⁺的引入一方面利用其更大的离子半径扩展了Na⁺的迁移通道，另一方面通过扭曲[TaCl₆]⁻八面体结构，有效降低了Cl⁻对Na⁺传输的阻碍。同时，Zr掺杂诱导的无定形化显著提升了电解质的界面相容性和粘弹性。这一设计不仅大幅改善了Na⁺的传输性能，还为深入理解异价阳离子掺杂与无定形化转变的内在关系提供了新的思路，为未来钠卤化物固态电解质的设计与优化奠定了基础。

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本文要点

要点一：Zr掺杂无定形转变机理分析

Zr的掺杂不仅导致[TaCl₆]⁻八面体发生畸变，并且由于Zr较大的半径还会引起晶格体积膨胀，使得NTZC完全转变为无定形结构。这种结构变化不仅拓宽了Na⁺的迁移通道，还削弱了Cl⁻对离子传输的阻碍作用，从而赋予材料更高的离子电导率和优异的界面稳定性。

a) 23Na SSNMR spectra of NTC and NTZC SSEs. b) EPR spectra of NTC and NTZC SSEs. c) Raman spectra of amorphous NTZC SSEs and crystalline ZrCl₄, and TaCl5 references. d) Ta L₃-edge XANES spectra of the Ta foil, NTC, NTZC electrolytes, and the reference samples. Fourier-transformed EXAFS spectra (R-space) of e) NTC and f) NTZC.

要点二：优异循环稳定性

得益于NTZC优异的离子电导率，粘弹性及稳定性，基于NTZC的全固态钠电池展现出出色的循环稳定性（0.2 C 350圈容量保持率80.14%）并且在高载量条件下（20.85 mg cm^–2）依然保持较高容量保持率（0.5 C 450圈 77.45%），在长循环中未出现明显的电解质分解。

a) Schematic illustration of NTZC-based ASSSBs. b) Rate performance of the NTC-based and NTZC-based batteries at different current densities. c) Long-term cycling performance of NTC-based and NTZC-based ASSSBs at 0.2 C. d) Cycling performance of the NTZC-based ASSSBs under high cathode loading conditions.

要点三：界面阻抗演变分析

EIS-DRT表明，NTZC电解质在循环过程中的界面阻抗变化远小于NTC体系。无定形结构赋予其更优异的界面适应性，Zr掺杂实现了高电化学稳定性，能够有效缓解接触劣化和副反应，从而保证电池在高电压区间下的长期稳定运行。

DRT spectra extracted from EIS for a) NTC-based and b) NTZC-based ASSSBs cycled within 2.45–3.85 V, and for c) NTC-based and d) NTZC-based ASSSBs cycled within 2.45–4.1 V.