钠金属电池突破：新型SEI层显著提升循环寿命和能量密度

高模量富含Na₂SiO₃的SEI层增强高能量密度长循环寿命钠金属电池

第一作者：杨斌，杨子强，张雪倩

通讯作者：赵庆*，侯之国*

单位：安徽大学、合肥师范学院、南开大学

要点一：高模量鱼鳞状结构电池隔膜的设计

为设计高稳定性、高模量的富含高钠离子传导性Na₂SiO₃的SEI层，设计出薄而致密坚固的隔膜，改善了隔膜的离子电导率和热稳定性，并展现出优异的机械性能和表面模量，从而抑制枝晶生长。

图1.高模量鱼鳞状结构隔膜的制备

图2.隔膜微观形貌及结构表征

要点二：诱导钠金属电极表面形成高钠离子传导率且高强度的SEI层

蛭石二维纳米片成功诱导目标SEI层生成，如图3所示，通过XPS、TOF-SIMs测试分析出SEI层具体成分，验证富含Na₂SiO₃的SEI成功生成，原子力显微镜探针结果表面该SEI层的高模量，并在循环后的扫描电镜图中观察到有效抑制钠枝晶的生长。通过理论计算证明Na₂SiO₃的高钠离子传导性。组装的半电池器件展现出高稳定性和长循环寿命。

图3.针对SEI层的一系列表征及理论计算

要点3：全电池展现出高安全性和高能量密度

组装成的anode-less全电池器件具有高能量密度（＞200Wh/kg），并表现出良好的循环稳定性。隔膜及SEI层的热稳定性，致使电池展现出较好的安全性，可以通过穿刺实验。隔膜加热至高温，没有明显的热收缩，而隔膜的离子通路孔道却有一定的收缩，致使电池表现出好的热稳定性，并在高温下以及保持良好的性能。

图4：全电池循环寿命及电池安全性能验证

High ModulusNa₂SiO₃-Rich Solid Electrolyte Interphase Enable Long-Cycle and Energy-Dense Sodium Metal Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407783

赵庆：南开大学化学学院特聘研究员，博士生导师，入选中国化学会第六届青年人才托举工程。2012年和2017年从南开大学化学学院分别获得化学学士和无机化学博士学位，期间主要从事设计合成用于金属二次电池的新型正极材料。2017年7月份加入美国康奈尔大学化学与生物工程学院从事博士后研究，期间研究工作聚焦负极表界面电子/离子的传导设计，原位固态电解质的合成和界面优化。于2021年加入南开大学。目前累计发表文章70余篇，H-因子为40。以第一作者(含共一)发表文章近30篇，包括Science, Nat. Energy, Nat. Rev. Mater., Sci. Adv. (两篇), PNAS, Chem. Rev., Angew. Chem. Int. Ed. (四篇), Adv. Mater. (两篇), Joule (两篇), Nano Lett. (两篇), Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett. 等。

杨斌：安徽大学化学化工学院副教授，2006年毕业于暨南大学材料科学与工程专业，获学士学位；2011年在四川大学高分子科学与工程学院取得材料加工工程专业博士学位（硕博连读，导师为杨鸣波教授）。2011年7月起，在安徽大学化学化工学院材料系任教，担任讲师；2011年9月至2013年6月，在安徽大学化学化工学院安徽省高校博士后流动工作站从事科研工作（合作导师为钱家盛教授）；2013年12月晋升为副教授；2014年6月起，任化学化工学院材料系主任，2019年5月起，兼任化学化工学院材料教研室主任。