成果 | 密院教师薄首行及其合作团队提出全固态钠电池设计新思路
近日，上海交通大学密西根学院教师薄首行在国际顶级出版社Cell press 旗下知名学术期刊《Joule》杂志上发表其最新研究成果《Reactivity-guided interface design in Na metal solid-state batteries》，提出了全固态钠金属电池界面设计的新思路。薄首行是该论文的通讯作者之一。另一位通讯作者是美国工程院院士、加州大学伯克利分校杰出讲席教授Gerbrand Ceder。加州大学伯克利分校材料科学与工程系四年级博士研究生Yaosen Tian为论文的第一作者。
钠离子固态电解质Na3SbS4在暴露空气后大幅提高全固态钠金属电池的充放电稳定性
与锂电池相比，钠电池通常被认为能量密度较低。因此，使用钠电池会不可避免地引起待机时间短、续航里程短等应用缺陷。但钠电池成本低廉，在大型储能设备中（如电网）是锂电池的强有力竞争者。采用陶瓷类固态电解质取代可燃性液态电解质，并采用高能量密度的钠金属作为负极有望大幅提升钠电池的能量密度。这为我们的日常储能需求提供了潜在的高储能、低成本、高安全的解决方案。然而，钠金属反应活性极高，会与大部分液态和固态电解质甚至空气以及水发生化学反应，从而大大降低电池的充放电效率。
在与美国合作伙伴开展的研究中，薄首行和团队成员们发现Na3SbS4的钠离子固态电解质在暴露空气后，电池充放电性能不但没有任何衰减，反而会大幅提高。这一研究成果打破了空气及水环境对电池有害的传统认知，说明适度的空气暴露反而会提高钠金属与固态电解质的界面稳定性，为全固态钠电池的钠金属-固态电解质的界面设计提供了全新的思路。结合密度泛函理论计算以及同步辐射X射线深度剖析，该研究团队进一步证明充放电性能的提升是由于在空气暴露后Na3SbS4的表面生成了一层水合物保护层。其与钠金属反应后产生只允许钠离子传导的反应钝化层。
这篇文章的合作者还包括加州大学伯克利分校的Yingzhi Sun和Yihan Xiao，劳伦斯伯克利国家实验室的Daniel Hannah，阿贡国家实验室的Hao Wang和Karena Chapman。研究工作得到了三星先进研究院（Samsung Advanced Institute of Technology）的全力支持。