北京理工大学赵永杰团队，Materials Today：铁电界面助力无阳极固态钠金属电池

第一作者：孙晨

通讯作者：赵永杰*

单位：北京理工大学

无阳极固态电池（Anode-free Solid-State Batteries, AFSSBs）被认为是实现电化学储能系统高能量密度和安全性的有前途的解决方案之一。然而，由于集流体(CC)/电解质界面的降解导致的机械化学接触损失和金属枝晶生长，AFSSBs 的可行性受到严重限制，特别是在装配刚性陶瓷电解质的情况下。因此，开发新型策略以改善CC/电解质界面兼容性，以及调控金属钠的均匀沉积，对于提高AFSSBs的性能至关重要。

近日，北京理工大学赵永杰团队报道了一种新的NASICON结构Na₃Zr₂Si₂PO₁₂(NZSP)电解质基AFSSBs策略，即在Al集流体表面涂覆一层韧性铁电复合衬底，最终实现高效稳定运行。良好的CC/电解质界面相容性与通过内置电场引导的均匀致密钠沉积可以实现动态调节CC/电解质界面 Na⁺通量的分布和迁移。即使在1.2 mA cm^-2的高电流密度下，也可以实现稳定的电沉积/剥离循环，库仑效率为99.7% 。同时装配了Na₃V₂(PO₄)₃和商业NaCu_1/9Ni_2/9Fe_1/3Mn_1/3O₂正极的全电池展现了突破性的循环性能。该文章发表在国际顶级期刊Materials Today上。博士研究生孙晨为本文第一作者。

通过水热法合成t-BTO纳米颗粒，并制备均匀涂覆的韧性BTO/C基底。通过压电力显微镜(PFM)研究了所制备基底的铁电特性。典型的蝴蝶回线说明了由电场变化引起的应变。

非对称电池采用钠作为对电极，以 NZSP 陶瓷作为电解质，裸Al箔、C涂层Al箔(C@Al)和 BTO/C 涂层Al箔(BTO/C@Al)作为集流体，分别为 Na|NZSP|Al，Na|NZSP|C和Na|NZSP|BTO/C。Na|NZSP|BTO/C展示出4.3 mV的极低成核过电位（0.1 mA cm^-2）与显著增强的临界电流密度（1.6 mA cm^-2）。即使在1.2 mA cm^-2的高电流密度下，仍然具有优异的循环性能，沉积容量达180 mAh cm^-2，稳定运行150个沉积/剥离循环，平均CE为99.7%。

基于弛豫时间分布(DRT)方法，系统地分析了两种不对称电池在循环过程中的界面演化动力学。Na|NZSP|Al与Na|NZSP|BTO/C表现出相似的变化趋势，但是界面区（RInt）显示更强和更复杂的信号变化，意味着不利的副反应和复杂的界面演化。随着剥离过程的进行，扩散区不仅出现峰强的急剧增加，而且时间常数也出现波动。这表明负极一侧的接触损耗增加了电荷转移阻抗，这是由于空洞和非活性“死钠”的形成引起的。

以 BTO/C@Al 和裸铝箔为集电极，NZSP 电解质和复合阴极为配对，组装了全电池。BTO/C | NZSP | NVP 在300个循环中保持接近100% 的高 CE，容量保持率为95.5% 。BTO/C | NZSP | NCFM 经过50次循环后保持86.6%的容量保持率。

该研究提出了一种基于 NZSP的AFSSB结合韧性铁电复合基底的设计，该复合BTO/C铁电基底采用简单的方法获得，可作为无阳极固态电池中有效的成核缓冲层。它可以显著降低钠沉积的成核障碍，促进钠的共形沉积。这项工作不仅为AFSSBs的发展提供了新的思路，也为高能量密度固态电池的设计提供了重要的指导。

赵永杰，北京理工大学材料学院，主要从事无机功能陶瓷材料的相关研究。截止目前，以第一作者和通讯作者身份在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Nano Letters、Nano Energy、Materials Today等杂志上发表SCI论文90余篇。申请/获批中国发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年和面上项目、北京理工大学优秀青年教师、清华大学新型陶瓷及精细工艺国家重点实验室开放基金、企业委托技术开发等项目，参与南宁市重点研发项目。担任清华大学材料学院“先进材料国家级实验教学示范中心”教学指导委员会委员，期刊Rare Metals、eScience、Materials Futures、Carbon Neutralization、EcoMat青年编委，期刊Batteries、Materials客座编辑，河北省唐山市人民政府特聘专家。

孙晨博士研究生，北京理工大学材料学院博士研究生，主要研究方向为高能量密度钠金属电池。以第一作者身份在Materials Today、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊上发表多篇论文，申请国家发明专利两项。