昆明理工大学梁风教授， Energy Storage Materials综述：固态钠电池的电解质及界面工程

第一作者：李付鹏

通讯作者：梁风*，张达*

单位：昆明理工大学

由于钠基电池成本低、资源丰富、与锂离子电池工作原理相似，被认为是一种很有前途的下一代储能技术。然而，依赖有机液体电解质的传统钠电池受到泄漏、热稳定性不足、易起火和爆炸等安全问题的制约。固态钠电池（SSSB）提供了一种高热稳定性、不可燃，无泄漏、挥发、火灾和爆炸危险的更高安全解决方案。此外，具有优越理论比容量（1166 mAh g–1）的金属钠可以引入SSSB中作负极，以适配高比容量正极材料，从而提供更高的能量密度。然而，低离子电导率的固态电解质（SSE）、及电极与电解质之间差的界面相容性阻碍了SSSB的实际应用。SSEs的低离子电导率增加了电池内阻，降低了离子传输效率， 电极-电解质界面稳定性不足和差的固固接触，通常导致更大界面阻抗，限制界面离子传输，加剧枝晶生长，恶化电池性能。

高性能SSSB的设计有两个关键问题：（i）在室温下制备高离子电导率的电解质和（ii）设计合理的电极-电解质的界面。在过去的几年中，通过使用复合材料和结构设计进行电解质改性来增强SSEs的离子电导率方面取得了重大进展。一些改良SSEs的离子电导率可与液体电解质相媲美。通过混合、夹层、固液和原位界面工程，界面挑战也得到了极大的改善。然而，对于先进的SSSB，必须同时考虑高离子电导率SSE和合理的电极-电解质界面，因此，对电解质和界面工程进行全面综述至关重要。

近日，来自昆明理工大学的梁风教授课题组在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Electrolyte and interface engineering for solid-state sodium batteries”的综述文章。该综述详细总结了各种固态电解质的结构特征和导电机理，回顾了近年来电解质工程在提高其离子电导率方面的进展。此外，还对界面挑战进行了全面分析，并系统评估了各种界面工程技术。这篇综述主要提供了设计有效的固态钠电池的主要挑战和机遇。

图1. 固态钠离子电池挑战及解决办法

作为固态电池（SSSB）的关键组成部分，固态电解质（SSE）由于其结构和组成不同而具有各自的优势和挑战（图2）。氧化物基固态电解质具有良好的空气稳定性和化学/电化学稳定性。然而，它们的刚性和脆性使得大规模制造固态电解质薄膜变得困难，并且与阴极活性颗粒形成紧密物理接触的挑战也随之而来。硫化物基固态电解质具有高离子电导率和柔韧性，使其能够通过简单的冷压集成到SSSB中。然而，在空气中的稳定性较差，且低氧化电位增加了制造成本，与电极不可避免地发生界面反应。聚合物固态电解质（SPE）在室温下的离子电导率相对较低，需要在较高温度下工作，或者需要添加少量液体电解质来保证Na+的快速迁移。此外，由于SPE在高压下易分解，SPE不适用于高压氧化物基正极材料。基于反钙钛矿的固态电解质具有较高的氧化电位和离子电导率，有望大规模应用。然而，基于反钙钛矿的固态电解质的低还原电位阻碍了其与钠金属阳极的相容性，以及其相对较高的原材料成本。

近年来，为了应对这些挑战，各种先进的电解质工程被发展起来，包括材料合成、离子掺杂、电解质尺寸调整和新型电解质设计。材料合成解决了无机固态电解质（ISEs）的不灵活性，改善了SPEs的低离子电导率，增强了电化学稳定性。离子掺杂增强了ISEs的离子电导率，增强了ISEs的结构稳定性。电解质尺寸调整使内部结构更紧凑，减少了内部空隙，并提高了ISE的离子电导率。此外，新颖的电解质设计为固态电池的实现开辟了新的途径。随着人工智能等技术的发展，材料行业的智能化转型已成为当代社会的必然趋势。人工智能的高效性和准确性使其在固态电解质设计合成方面展现出巨大的优势。

界面的稳定性对固态电池（SSSB）的整体性能至关重要，实现电极-电解质界面的紧密接触、快速离子传输通道以及机械和结构稳定性对于提高电池性能至关重要。混合、夹层、固液和原位界面工程有利于形成稳定的电极-电解质界面。采用集成电极-电解质设计的混合界面增加了界面接触并降低了界面阻抗。然而，许多电极-电解质接触是化学反应不稳定，这限制了混合界面工程的发展。在电极和电解液之间增加稳定柔韧的夹层，可以改善界面接触，同时抑制电极与电解液直接接触带来的反应。虽然这提高了电池性能，但引入夹层带来额外的电阻。固液界面工程缓解了SSSB界面润湿性差的问题，克服了界面电阻高的挑战。然而，它降低了电池的安全性，并且液体电解质蒸发是较难处理的挑战。原位界面是一种理想的界面改性方法，可改善界面接触，增强界面离子传输能力，形成稳定的SEI和CEI从而抑制界面反应。但这种方法需要添加特定物质，此外与电极的反应会消耗电池容量。尽管过去几年在电池界面设计方面已经做了许多有效的工作，但要实现SSSB产业化还具有很大的挑战。

Electrolyte and interface engineering for solid-state sodium batteries

张达简介：昆明理工大学特聘副教授，博士毕业于昆明理工大学，“兴滇英才支持计划”青年人才。从事等离子体冶金及材料制备与改性等方面的研究。以第一/通讯作者在Adv. Energy Mater., Carbon, Chem. Eng. J., J. Power Sources等国内外重要学术期刊上收录论文20余篇；申请专利30余件，其中授权专利10件；主持国家自然科学基金委员会青年科学基金项目、 “兴滇英才支持计划”青年人才专项项目，云南省科技厅青年科学基金项目、云南省教育厅科学研究基金项目。参与国家自然科学基金委员会面上项目、军委科技委科技创新、云南省科技厅云南省国际合作基地等项目5项。

梁风简介：昆明理工大学教授，博士生导师，国家高层次人才计划青年人才入选者，冶金与能源工程学院副院长，日本九州大学客座教授，中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员，2014年博士毕业于日本东京工业大学。从事高能量密度电池及材料、等离子体制备与改性能源材料、碳基新材料等方面的研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun.，Adv. Energy Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater.等学术期刊上发表论文100余篇；主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划子课题、国防科技173计划项目、云南省重点基金等科研项目16项。

李付鹏：昆明理工大学2023级直博生。主要从事固态钠离子电池电解质设计及界面改性研究。

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