陳軍院士Joule綜述：固態鈉電電解質及其界面工程
【引言】
隨著化石燃料的快速消耗，二氧化碳的大量排放所導致的溫室效應和環境問題越來越嚴重，發展大規模的高效清潔儲能技術受到各國科研工作者的關注。近年來，鈉電池由于資源豐富，成本低廉以及與鋰電池類似的化學性質成為研究熱點。然而，目前大多數報道的鈉電池研究都是基于有機溶劑的液態電解液，例如醚和碳酸酯。有機溶劑易燃且易泄漏使得液態鈉電池存在潛在的安全問題。相比之下，固態鈉電池具有穩定性高，無泄漏風險以及易于直接堆疊加工等優點顯著提升了電池的安全性能。然而，固態電解質也存在離子電導率低，電極電解質界面兼容性差等問題限制了其實際應用。開發用于鈉電池的高性能固態電解質（SSE）具有重要意義。
近日，南開大學陳軍院士團隊在Joule上撰寫了題為“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”的綜述文章。文章系統地總結了鈉離子固態電解質的發展和最新進展以及固態鈉電池內部的界面問題。討論了具有高離子電導率和高化學/電化學穩定性的固態電解質設計的基本原理。針對開發高性能固態鈉電池的關鍵問題，著重強調了電解質和電極之間的界面設計。
綜述總覽圖
【圖文導讀】
圖1.固態鈉電池的組成和電解質需要具備的條件
高性能的SSE應具備的主要特點是高離子電導率，高化學穩定性，電化學穩定窗口寬，高離子遷移數，良好的機械性能，界面兼容性好，抑制枝晶，環境友好，以及易于制備。
圖2.β-Al2O3?and β’’-Al2O3的晶體結構
Bata氧化鋁電解質具有兩種晶體結構（如上圖所示），均是由導層結構和尖晶石結構交替堆積而成。β’’-Al2O3導層中的鈉含量更高，因而離子導電率更高，然而其熱穩定較差且在合成過程容易引入雜質導致離子電導率下降。目前，主要的解決方案是通過摻入一些穩定劑提高相純度，從而提升離子電導率。
圖3NASICON?電解質
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1976年，Goodenough和Hong等人首次提出了NASICON型固態電解Na3Zr2Si2PO12，這類電解質具有開放的三維通道，可實現Na+離子的快速傳輸。
圖4基于硫化物的固態電解質
硫化物電解質由于其高離子電導率，合成條件簡易，晶界阻抗低和可塑性強等優點，引起了廣泛的關注。然而，大部分硫化物電解質在空氣中不穩定，易于空氣中的水發生反應，從而破壞其晶體結構。進一步提升硫化物電解質的化學和電化學穩定性是目前的研究重點。
圖5復合氫化物電解質
用于固態鈉電的復合氫化物電解質由Orimo等人于2012年提出，目前的研究主要集中于如何提升離子電導率和降低相轉變溫度。
圖6有機電解質
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與無機電解質相比，聚（環氧乙烷）（PEO）等有機聚合物電解質和電極材料之間具有良好的界面兼容性。此外，有機聚合物電解質易于成膜和制備。然而，有機聚合物電解質也存在室溫的離子電導率低，機械強度差，離子遷移數低（大多小于0.5）等問題。
圖7負極/電解質界面
圖8正極/電解質界面
電極與電解質界面的穩定性是保障電池正常運行的關鍵因素，負極通常表現為電解質與金屬鈉相容，副反應少，目前大部分的電解質都能與金屬鈉負極形成穩定的界面。硫化物電解質對金屬鈉不穩定，可以通過元素取代來進行修飾，使得兩者兼容。正極方面，主要考慮電解質與電極的界面接觸問題以及與放電中間產物的化學兼容性。
圖9提高性能的策略總結，包括離子電導率，轉移數，穩定性，機械性能和界面問題
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【總結與展望】
綜述概述了鈉電池的不同類型的固態電解質以及電解質與電極之間的界面問題。在所有報道的SSE中，只有β-氧化鋁已經在具有熔融電極的高溫Na-S和ZEBRA電池中成功商業化。然而，由于電解質和活性材料之間的界面接觸較差，將β-Al2O3應用于室溫鈉電池仍存在較大的挑戰。除了β-Al2O3之外，其他無機SSE也存在一些不足，這阻礙了它們在室溫鈉電池中的實際應用。對于有機SSE來說，離子電導率低，熱穩定性差和機械強度弱這些缺點也阻礙了它們的實際應用。為了實現固態鈉電池在室溫下的實際應用，進一步的研究應集中于以下幾個方面。首先，基于基本設計原理和理論計算，設計具有高性能（例如高離子電導率和良好化學/電化學穩定性）的SSE。其次，通過實驗研究優化SSE和界面的綜合性能（如離子電導率和穩定性）。第三，采用更先進的原位技術來表征固態鈉電池中的SSE和界面。最后，未來需要發展簡單、可擴展的低成本方法實現大規模生產高性能的SSE。
文獻鏈接：“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”(DOI.org/10.1016/j.joule.2018.07.028)
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