上海交大陈立桅教授、苏州纳米所沈炎宾研究员Nano Letters：基于体相界面导体的室温全固态钠电池- 大数跨境

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上海交大陈立桅教授、苏州纳米所沈炎宾研究员Nano Letters：基于体相界面导体的室温全固态钠电池

科学材料站

2021-12-08

导读：该论文从体相界面快钠离子导体的制备，正极导电网络的构筑，以及固态电解质与电池各个组件（正极、负极）之间界面的适配层的设计三个方面着手

文章信息

基于体相界面导体的室温全固态钠电池

第一作者：胡晨吉

通讯作者：沈炎宾*，陈立桅*

单位：上海交通大学，中科院苏州纳米所

研究背景

金属钠电池由于其高能量密度和极高的钠元素丰度而备受关注，被认为是非常有吸引力的下一代储能体系。但是，使用金属钠作为负极会引起严重的问题，包括与液体电解质的不良副反应，钠枝晶的生长，导致电池短路以及安全性问题。

而采用不易燃的固态电解质是一种行之有效的解决方案，既可以提升电池的能量密度也可以保证电池的安全性。在全固态电池的设计中，除了高面电导的固体电解质外，固体电解质与电极之间的界面电阻以及正极离子电子导电网络的构筑也是全固态钠电池实现高性能的关键。

文章简介

基于此，上海交通大学的陈立桅教授与中科院苏州纳米所的沈炎宾研究员在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Room-Temperature All-Solid-State Sodium Battery Based on Bulk Interfacial Superionic Conductor”的研究文章。

该论文从体相界面快钠离子导体的制备，正极导电网络的构筑，以及固态电解质与电池各个组件（正极、负极）之间界面的适配层的设计三个方面着手，对电池核心材料进行创新研究，最后制备出高性能的室温全固态钠电池（如图1所示）。

图1. 室温全固态钠电池的结构设计、材料创新以及电化学性能

本文要点

要点一：体相界面导通的钠离子导体的制备与表征

在之前的研究中该团队发现，利用同时静电纺丝/静电喷雾技术所制备的体相界面快离子导体（BISC）可以实现超高的室温面电导率且兼具良好的柔性，有望在全固态电池中实现良好的应用（J. Am. Chem. Soc., 2020,142, 18035）。

在本文中，该团队将聚丙烯腈(PAN)聚合物溶液进行电纺丝，同时将氧化锆(ZrO2)陶瓷悬浮液电喷到样品收集器上。然后将得到的PAN：ZrO2复合材料滚压成薄膜，并浸泡在高氯酸钠(NaClO4)的无水乙醇溶液中，然后在80 °C下真空干燥过夜，得到的BISC-Na+薄膜。

该具有丰富界面的BISC-Na+ 电解质在室温下展现出高达6.5 ×10-4 S/cm的离子电导率以及260 mS/cm2的面电导率。红外以及XRD结果表明在该复合固态电解质中NaClO4已经完全解离。

图2. BISC-Na+的物化表征以及电导率测试

要点二：电极/BISC-Na+界面修饰

固态电解质与金属钠之间的接触问题一直是阻碍全固态电池研发的重要问题之一，在本文中，该团队进一步采用PEO-SN/NaClO4聚合物-塑晶（PPCE）的复合电解质作为界面适配层，从而解决金属钠与BISC-Na+之间的界面接触问题，所采用的PEO-SN/NaClO4具备良好的室温离子导电率（4.2 ×10-4 S/cm）以及良好的粘结性能。

研究表明，用刮涂法在BISC-Na+涂覆一层2-3 μm的PPCE界面层后，对称电池的阻抗可以从159 kΩ·cm2降到1.6 Ω·cm2 。含有PPCE的钠对称电池具备出良好的倍率性能，在8 mA/cm2的电流密度下展现出极低的过电位, 而同时在 1 mA/cm2的电流密度，1 mAh/cm2的容量下也可以稳定循环400h，展现出良好的循环特性。

图3. BISC-Na+/金属钠界面修饰以及对称电池的电化学性能

要点三：全固态钠金属的制备

最后，该团队采用自主研发的P2相NaxCo0.7Mn0.3O2(x≈1.0,NaCMO)作为正极活性物质，PPCE以及乙炔黑分别作为离子和电子导电剂，并将上述混合物涂覆在BISC-Na+的一侧，并且将PPCE以及钠金属置于另一侧。所制备的全固态钠金属电池在室温下展现出极小的过电位，在0.25C的电流密度下可以稳定循环180周并且还有80%的容量保持率。

图4.全固态金属钠电池的结构以及电化学性能

要点四：总结

以上结果证明了电池结构设计的有效性，并且该方法也可用于制备其他金属离子的固态电池的制备上，如Mg2+、Al3+和K+基全固态电池。

文章链接

C. Hu et.al “Room-Temperature All-Solid-State Sodium Battery Based on Bulk Interfacial Superionic Conductor”

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c03605

通讯作者简介

沈炎宾研究员

中科院苏州纳米所研究员，江苏省双创人才。2006年本科毕业于哈尔滨工业大学电化学专业，2006-2010年在电池企业任电池研发工程师，2014年于丹麦奥胡斯大学化学系获博士学位，2015-2016年在北京中科合成油技术有限公司任Research Scientist, 2017年加入中科院苏州纳米所。长期从事先进二次电池关键材料、界面化学调控、原位电化学机理研究，已在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Joule等期刊发表研究论文~60篇，拥有授权发明专利10余项。担任《物理化学学报》青年编委，作为项目负责人主持（过）国家自然科学基金及产业界横向合作项目十余项。

陈立桅教授

上海交通大学特聘教授，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”科技创新领军人才，上海市电化学能源器件工程技术研究中心副主任。长期从事先进电池材料、表界面调控、高比能电池、原位电化学机理研究，已在Nature，Nature Nanotech., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Joule, Nano Lett.等期刊发表论文 150 余篇。担任《物理化学学报》副主编、中国化学会电化学专委会委员、固态离子学会理事。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然基金重点项目、国家自然基金重大项目课题等国家重要项目 10 余项。

课题组介绍

上海交通大学物质科学原位中心是上海交通大学校级交叉研究平台“双一流”建设项目，负责人是上海交通大学化学化工学院陈立桅特聘教授，中心结合国际学科前沿和国家战略需求，集成世界最先进的原位显微技术与原位谱学技术，通过设计和开发新型原位反应装置和大数据处理平台，实现高空间分辨率原位功能成像以及物质结构与化学价态的原位动态追踪，为能源化学化工、先进材料、热能机动等物质科学前沿领域与重大应用方向提供重要技术支撑。

课题组网站：https://insitu.sjtu.edu.cn/

苏州纳米所锂电应用工程中心专注于先进二次电池材料、器件、表界面调控、及原位表征技术等方面的研究。目前拥有实验室空间2200平米，具有完备的锂电池材料与器件研发与小试，测试与分析设备条件，包括配有软包电池组装线的干燥房，配备高温和电化学原位反应池的XRD衍射仪，气氛保护AFM，离子研磨仪，材料粒径分布及比表面分析测试仪等仪器设备。该中心在锂-碳复合材料和高比能锂金属电池等方面拥有多项自主知识产权。

课题组网站：http://oil.sinano.ac.cn/index.html

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