北理工Adv.Mater.：零度下可充電固態電池

北京理工大學材料學院金海波教授課題組設計了一種基于壓電效應的負極/固體電解質界面層，通過平衡電池內部的電場，有效改善了固態鈉電池的倍率性能和循環穩定性。相關研究結果近日以“Piezoelectric Interlayer Enabling a Rechargeable Quasi-Solid-State Sodium Battery at 0 ℃”為題在國際知名期刊《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202309298）上發表。北京理工大學材料學院2020級博士生倪青為第一作者，王成志預聘助理教授、趙永杰副教授和金海波教授為論文共同通訊作者。

鈉電池由于其豐富的資源和較低的成本，被認為是下一代儲能設備的理想選擇。固態鈉電池具有能量密度高、安全性能好等優點，但在實際應用中卻面臨諸多挑戰，尤其是鈉金屬負極與固體電解質的之間固-固界面阻抗問題，會嚴重影響電池的循環壽命和倍率性能。為了解決這一問題，課題組基于壓電效應，分別構建了AlN和ZnO界面層，這種界面層可以平衡電池內部的電場，抑制電子積累，從而達到抑制鈉金屬枝晶生長和改善鈉沉積/解離循環穩定性的目的（圖1）。

研究團隊在NZSP電解質表面沉積了兩種典型的鎢青銅型壓電材料AlN和ZnO作為界面層。在30℃和0℃測試條件下，ZnO層修飾的固態對稱電池的界面電阻分別低至91和239 Ω cm2，表現出明顯的低界面電阻行為。此外，該電池在0℃和30℃下分別實現了850小時和4900小時的穩定鈉金屬沉積/解離循環（圖2）。進一步，研究團隊測試了Na₂MnFe(CN)₆作為正極、ZnO層修飾Na₃Zr₂Si₂PO₁₂（ZnO-NZSP）作為固體電解質、鈉金屬箔作為負極的電池體系，性能實驗結果表明，使用ZnO作為界面層的電池在0℃和30℃時均表現出良好的倍率性能和循環穩定性。在0.15-2.5C的充放電速率下，電池均能保持穩定的放電容量。在0.5C的充放電速率下，電池在0℃環境下的初始放電容量為88.5mAh/g，經過500次循環后，容量保持率為70.6%（圖3）。這項研究不僅為固態鈉電池的設計和優化提供了新的思路，也可拓展和促進固態鈉電池在低溫環境下的應用。

圖1 壓電界面層設計及結構表征

圖2 全固態對稱電池性能

圖3 固態全電池的性能

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309298

附作者介紹：

倪青，北京理工大學材料學院2020級博士生，導師金海波教授，研究方向為層狀氧化物正極材料及固態鈉電池，目前以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Small發表學術論文3篇。

王成志，預聘助理教授，碩士生導師。主要從事固態鈉電池研究。作為負責人主持國家自然科學基金等科研項目。以第一作者或通訊作者在Advanced Materials、Advanced Science等期刊發表論文18篇。

趙永杰，副教授，主要從事氧化物基陶瓷電解質及其固態電池應用研究。作為負責人先后主持和完成國家自然科學基金、企業合作等科研項目10余項。發表學術論文80余篇，SCI引用2000余次。申請發明專利10余項。擔任清華大學“先進材料國家級實驗教學示范中心”教學指導委員會委員。

金海波，教授，博士生導師，國家級學術領軍人才，科技部重點領域創新團隊帶頭人，北京市課程思政教學團隊負責人。主要從事智能材料/能量存儲與轉化材料研究。作為負責人先后主持和完成863計劃、國家自然科學基金、教育部重大項目等科研項目。發表學術論文100余篇，SCI他引1萬余次。承擔省部級教改項目2項，主編教材2部。獲國家級教學成果二等獎1項，北京市教育教學成果獎2項、省部級科技進步獎1項。

內容來源：https://www.bit.edu.cn/xww/xzw/xsjl1/56b55738d6dd49c399524b74cab1490f.htm