基于界面優化設計的高安全長循環固態鈉電池研究

鈉離子電池具有耐低溫、高倍率、低成本等優勢，但面臨能量密度的不足的短板。通過電池體系的固態化，引入高比能電極材料可使鈉電池能量密度提升至200Wh/kg以上，并與傳統鋰離子電池形成匹敵之勢。

固態鈉離子電池采用固體電解質取代傳統有機電解液解決了電解液揮發和泄漏帶來的燃燒和爆炸等安全問題。同時，固體電解質優越的機械性能和熱/化學穩定性能改善電池壽命和穩定性及實現高能量正極與金屬鈉負極在固態鈉離子電池中匹配使用；此外，固體電解質可實現電池設計簡化，不需要額外的電解液容器或隔膜組件，從而提升電池的能量密度。

然而，固體電解質作為固態鈉離子電池的核心材料，目前仍面臨著室溫離子電導率低、電化學窗口窄、與電極界面相容性差和接觸差等問題。

因此，增強固體電解質的Na⁺電導率、界面兼容性、界面穩定性和降低界面阻抗是固態鈉離子電池性能提升和商業化應用的關鍵。其中，正極與固體電解質界面阻抗主要源于接觸不緊密、充放電過程中電極體積效應和空間電荷層等，界面穩定性問題主要表現為化學反應和界面元素相互擴散；而負極與SEs的界面問題主要為枝晶生長、界面接觸差和界面兼容性差等。

針對上述問題，目前一般通過表面涂層改性、電極組成調控、引入界面夾層、設計新型電池結構等方法來降低SSBs界面阻抗和改善界面穩定性。

正極/固體電解質界面可以通過添加界面潤濕劑、制備復合正極材料和復合固體電解質等方法來改善；負極/固體電解質界面則可以通過表面涂層改性、構建固體電解質界面層、柔性電解質夾層、復合負極材料來改善。

此外，固體電解質與電極材料一體式結構和界面原位固化是目前電極與固體電解質界面實現原子級接觸的有效方法，可有效解決固態鈉離子電池界面Na⁺傳輸性能差和熱力學穩定性差等問題。

2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術協會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯合主辦2024第二屆鈉離子電池材料技術研討會。屆時，來自上海大學的馮吳亮副研究員將作題為《基于界面優化設計的高安全長循環固態鈉電池研究》的報告。固態鈉電池的關鍵科學與技術問題均在于界面穩定性，本報告將從界面相調控、電極與固體電解質組分優化入手，介紹提升界面穩定性的重要策略。與此同時，結合鈉枝晶生長、活性鈉消耗、高阻抗等行業痛點，提供優化設計思路，為構筑高安全、長循環，并同時兼具高比能特征的固態鈉電池提供設計與發展思路。

專家簡介：

馮吳亮，男，上海大學副研究員，eScience、CarbonNeutralization期刊青年編委。曾就職于中國航天科技集團，從事動力型鋰離子電池及固態電池電芯研發一職，2022年加入上海大學理學院。主要研究方向為固態鋰/鈉電池、鋰/鈉離子固體電解質、金屬鋰/鈉負極等。目前已在《德國應用化學》、《美國化學會》、《先進材料》等國際知名期刊發表學術論文50余篇；五項國家發明獲授權；主持及參與國家級、省部級以及校企聯合項目十余項。

參考來源：楊冬榮等《全固態鈉離子電池及界面改性》、翁偉《鈉離子硫化物固體電解質的制備和電化學性能研究》等

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