华北理工大学的刘山教授和王岭教授，CEJ：界面氧势调控助力高能固态钠离子电池

第一作者：孟维栋

通讯作者：刘山*，王岭*

单位：华北理工大学

固态钠离子电池由于其成本低廉与安全性高等优点，具有重要的发展潜力。然而，金属钠与电解质间界面副反应与枝晶生长等问题严重阻碍了其实际应用。由于金属钠的强还原性，其易与电解质中的氧元素结合，使界面处产生氧空位，吸引电子在局部持续堆积，加剧钠枝晶的产生。因此，如何对界面氧势进行有效调控，保障界面电场均匀分布对于抑制钠枝晶的产生具有重要意义。本论文发现具有高氧逸度的Ce_0.8Gd_0.2O_1.9（CGO）可以传导氧离子填充界面反应产生的氧空位，均匀电场分布，阻碍电子传导，从而抑制界面副反应和钠枝晶。该工作有望为安全稳定的固态钠离子电池开发提供重要参考。

近日，华北理工大学的刘山教授和王岭教授等在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Stable anode interface regulation of solid sodium battery through oxygen potential regulation”的研究性文章。该文章通过在金属钠与固态电解质间引入高氧逸度的Ce_0.8Gd_0.2O_1.9（CGO）对界面氧势进行调控，有效抑制了界面副反应和钠枝晶的产生，使固态钠离子电池的性能得到有效改善。

通过高温固相法合成的NYS电解质的晶体结构如图2a所示。通过使用丝网印刷法将氧离子导体CGO和钠离子导体NYS的混合浆料涂覆在电解质表面经煅烧得到混合导体界面层(MCL)，制备的MCL界面层致密且厚度约为6μm，EDS光谱测试结果表明MCL界面层中的元素（Na、Si、Ce、Y）分布均匀（图2e-h）。这些测试结果证明MCL界面层得以成功构建。

为了评估MCL界面层对阳极界面性能的改善，研究人员对循环前后界面阻抗进行了测试。如图3a所示，相比于未经界面修饰的电池，经过MCL修饰的电池界面电阻要小60倍以上，仅为43.18 Ω cm²。此外，DC极化曲线测试结果表明，MCL修饰电解质的电子导率相比空白电解质降低了一个数量级，可以有效地阻碍界面处的电子传导，抑制钠枝晶的产生。

为了进一步验证MCL对金属钠与电解质间界面稳定性的影响，研究人员对MCL修饰电池循环前后的界面形貌进行了表征。如图4a所示，MCL修饰电池，即使在电池循环100个小时后其表面也没有发生明显的变化。而未经修饰的电池在经过50个小时的小电流循环后，表面发生了严重的副反应，受到不可逆转的损伤（图4b）。XRD测试结果同样表明，在MCL修饰电池在循环50个小时后，电解质的衍射峰没有发生明显变化，证明了其界面具有良好的稳定性。图4d和图4e分别是由MCL@NYS电解质组装的对称电池在循环50个小时前/后的截面SEM图，金属钠与电解质间始终保持了紧密接触。同时，即使在循环300小时后的电池的阻抗没有发生明显改变，表明界面具有出色的稳定性。

对称电池测试结果表明，经过MCL修饰电池可以稳定循环3000小时以上，循环寿命得到了极大改善。同时，极低的极化电压也表明界面具有良好的动力学电荷传输能力（图5a）。极限电流测试表明，经过MCL修饰电池极限电流密度可以提升到1.1 mA cm^-2。为了检验MCL界面层在实际应用中的能力，研究人员以磷酸钒钠为正极组装全电池进行性能测试。如图5d所示，MCL修饰全电池具有优异的循环性能，在200次充放电循环后容量几乎没有衰减，容量保持率达到96.7%。同时，MCL修饰全电池的倍率性能也得到了极大的改善（图5e）。而未经修饰电池由于金属钠与电解质较大界面电阻以及持续的界面副反应与钠枝晶问题，电池在循环30圈左右即出现了明显的短路。

Stable anode interface regulation of solid sodium battery through oxygen potential regulation

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