三峡大学陶华超、杨学林教授Small：用于超稳定固态钠金属电池的液态金属中间层

第一作者：谷一凡

通讯作者：陶华超*，杨学林*

单位：三峡大学

由于钠与锂的化学性质相似、钠资源分布广泛且成本低廉，钠离子电池被认为是锂离子电池的有竞争力的补充候选材料。得益于钠金属负极的高理论容量（1166 mAh g⁻¹）和低电化学电位，钠金属电池可以获得高能量密度。但钠金属负极的主要缺点是在液态电解质中枝晶的生长不可控，以及钠负极/液态电解质界面处严重的副反应。固态电解质具有良好的机械性能和电化学稳定性，可以作为物理屏障，部分抑制钠枝晶的渗透和副反应，从而提高钠金属电池的电化学性能。NASICON型（钠超离子导体）电解质，通式为Na_1+xZr₂SixP_3-xO₁₂（0≤x≤3，NZSP），具有高机械强度、优异的空气稳定性、宽电化学窗口和良好的离子电导率，是研究最广泛的固态电解质之一。

然而，与传统液态电池中不受阻碍的固液界面不同，固态电池中的Na/NZSP界面在界面处始终存在较差的点接触。此外，NZSP表面的空洞、纯度、晶粒分布不均匀等缺陷也会影响空间电荷层，导致Na+通量和钠镀层不均匀，促进钠枝晶和空洞的生长，最终造成短路。

近日，来自三峡大学的陶华超教授、杨学林教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Liquid Metal Interlayer for Ultrastable Solid-State Sodium Metal Battery”的研究文章。该文章采用液态金属(LM, GaIn)中间层用于室温固态钠金属电池，具有抑制枝晶和超稳定循环性能的特点。由于 GaIn 的熔点为 16 °C 并且与 Na 和 NZSP 具有良好的润湿性，它可以填充 NZSP 表面的空隙，提供紧密的面对面接触并降低 Na/NZSP 界面的界面电阻。此外，GaIn 可以与 Na 自发反应，形成 Ga4Na 和 NaIn 合金，可以均匀分布界面电场，有效防止尖端放电并抑制钠枝晶生长。此外，Ga4Na 和 NaIn 合金与 NZSP 和 Na 的结合能较低，增强了 NZSP 与钠阳极的结合。该对称电池在 0.05 mA cm⁻² 下可稳定循环超过 6500小时，在 0.1 mA cm⁻² 下可稳定循环 3000小时，临界电流密度 (CCD) 在 25 °C 下可达 0.8 mA cm⁻²。当与 NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂ (NFM) 搭配作为正极时，全电池在 0.5 C 下经过 100次循环后仍可保持 85.1% 的容量保持率。

采用简单的擦涂法在NZSP电解质表面构建出薄而结构致密、表面光滑且接触良好的LM层，增强了Na金属在电解质表面的润湿性和粘结性，显著改变了与Na建立良好界面接触的能力。

Na/LM@NZSP/Na对称电池的界面阻抗从1095.1 Ω降至21.6 Ω，可在0.05 mA cm^-2/0.05 mAh cm^-2和 0.1 mA cm^-2/0.1 mAh cm^-2条件下分别稳定循环6500小时和3000小时，临界电流密度达到0.8 mA cm^-2。同时，对称电池在不同循环后的EIS曲线几乎重合，说明改性后的界面表现出优异的稳定性。

循环后的Na/NZSP截面有明显空隙，而Na/LM@NZSP截面保持紧密接触。原始NZSP循环后表面有明显的突起，为不均匀沉积的钠，而LM@NZSP循环后表面仍保持光滑平整。

Liquid Metal Interlayer for Ultrastable Solid-State Sodium Metal Battery

陶华超教授简介：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, 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。

杨学林教授简介：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。

谷一凡，三峡大学硕士研究生。研究方向为钠离子固态电池。