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三峡大学陶华超、杨学林，北京科技大学范丽珍AFM：多功能NaxBi/NaCl柔性界面层提升固态钠金属电池性能

科学材料站

2024-10-10

导读：三峡大学陶华超、杨学林，北京科技大学范丽珍AFM：多功能NaxBi/NaCl柔性界面层提升固态钠金属电池性能

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文章信息

用于固态钠金属电池的多功能 NaxBi/NaCl 柔性界面层

第一作者：谷一凡

通讯作者：陶华超*，杨学林*，范丽珍*

单位：三峡大学，北京科技大学

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文章简介

随着可再生能源的快速发展，能源储存技术成为了全球科研的焦点。近年来，钠离子电池凭借其丰富的钠资源和低成本备受关注。然而，现有钠电池技术仍面临安全和性能瓶颈，尤其是在液态有机电解质中，钠金属负极的枝晶问题严重影响了电池的安全性。为了解决这些挑战，三峡大学陶华超、杨学林与北京科技大学范丽珍团队提出了一种创新性的解决方案，开发出一种基于NaxBi/NaCl的多功能柔性界面层，极大地提升了固态钠金属电池的界面稳定性和整体性能。该研究成果已发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上。

界面接触难题：钠枝晶与高阻抗的困境

固态电池以其优越的安全性和高能量密度而备受关注。其中，Na₃Zr₂Si₂PO₁₂（NZSP）电解质，凭借其优异的机械强度和稳定的化学性质，展示出巨大的应用潜力。然而，NZSP与钠金属负极之间的界面接触不佳，导致了高界面阻抗，并进一步加速了钠枝晶的形成。枝晶问题会引发局部电流密度增加，最终导致电池短路，成为限制固态钠金属电池应用的主要瓶颈。

界面工程：NaxBi/NaCl柔性界面层的设计

图1. Na/NZSP界面演变以及改性后的表征

为了攻克这一难题，研究团队提出了一种BiCl₃/聚四氟乙烯（PTFE）复合界面层，通过简单的旋涂法将其构筑于NZSP表面。与传统方法不同，这种柔性界面层不仅能显著改善钠金属与固态电解质之间的接触，还能通过电化学反应形成NaxBi/NaCl复合层。NaxBi的低能垒扩散通道显著提高了钠离子的传导效率，而NaCl的宽禁带特性则有效抑制了电子注入，成功阻止了枝晶的生长。

图2. 改性前后界面传输动力学对比

显著的性能提升

图3. 对称电池性能对比

实验结果表明，NaxBi/NaCl柔性界面层能够将电池的界面阻抗从1252.1 Ω大幅降低至67.6 Ω，临界电流密度从0.2 mA cm⁻²提升至2 mA cm⁻²。此外，在0.1 mA cm⁻²的电流密度下，电池能够稳定循环3000小时；在0.3 mA cm⁻²下，循环寿命也达到了1100小时。显然，NaxBi/NaCl界面层为钠离子的传导提供了高效路径，同时有效抑制了枝晶的形成，延长了电池的使用寿命。

图4. 循环后形貌对比

图5. 循环前后XPS图谱

图6. DFT计算

全电池性能的提升

图7. 全电池性能对比

除了在对称电池中的表现，这一界面层在全电池中的应用也显示出巨大的潜力。以Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）为正极材料的全电池在使用该界面层后，展示出出色的循环和倍率性能。在0.5 C倍率下，经过300次循环后电池依然保持了96.7%的初始容量，表现出优异的稳定性。而在2 C倍率下，经过200次循环，电池仍能保持92.9%的容量保持率。这些数据表明，NaxBi/NaCl界面层显著延长了固态电池使用寿命。

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总结

研究团队通过构建多功能的NaxBi/NaCl柔性界面层，有效改善了固态钠金属电池中界面接触不良和枝晶生长的难题，显著提高了电池的性能与稳定性。该方法的简单高效和易于扩展的特性为固态电池的进一步发展提供了强有力的支持，也为下一代储能技术的实际应用带来了新的希望。

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文章链接

用于固态钠金属电池的多功能 NaxBi/NaCl 柔性界面层

https://doi.org/10.1002/adfm.202416077

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通讯作者简介

陶华超简介：教授，博士生导师，湖北省杰出青年基金获得者，主持国家自然科学基金面上、青年项目等。在Advanced Functional Materials, Chemical Science, Small, Chemical Engineering Journal, Journal of Energy Chemistry等期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利10余项，获湖北省技术发明二等奖。

杨学林简介：二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长、储能新材料湖北省工程实验室主任、三峡大学储能技术研究院院长。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文200余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，为区域新能源和新材料产业创新发展起到了积极的推动作用。

范丽珍简介：北京科技大学教授，国家万人计划入选者。一直从事新型复合材料及其应用于固态储能器件的研究。主持了国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家重点研发计划课题、北京市自然科学基金重点项目、中央军委装备发展部装备预先研究项目等项目20余项。近五年以第一作者/（共同）通讯作者发表SCI论文97篇，影响因子大于10的论文75篇，入选封面6篇。受邀在包含Nature Rev. Mater.、Joule、Adv. Energy Mater.等在内的权威刊物撰写综述14篇，论文被SCI他引1万余次。个人H因子77。申请发明专利32项，已获授权23项。成果“全固态电化学储能材料”曾荣获中国建筑材料联合会&中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖一等奖。