华北理工团队通过引入液态Na-K合金界面，解决钠电池负极界面阻抗大难题

2023-07-08 11:24:47 来源：腾讯网

钠离子电池是一种新型的二次电池，其具备较高的理论能量密度、以及低成本的优势，在能源存储和移动电源领域具有很大的应用潜力。

【资料图】

然而，金属钠和固态电解质的固-固界面接触问题，会严重影响电池的循环寿命和倍率性能。而液态 Na-K 合金界面的引入，可以从根本上改变固态钠离子电池阳极/电解质界面固-固接触问题，从而改善界面的润湿性，借此让电池性能得到极大提升。

由于锂资源比较匮乏，以及处于安全性的考量，固态钠离子电池有望在新能源市场占据一席之地。

以目前较为火爆的电动汽车为例，假如使用固态钠离子电池不仅可以进一步提高电动汽车的行驶里程和使用效率，提高电动汽车整体安全性能，还可以实现电动汽车制造成本的大幅降低，因此具有非常好的应用前景。

未来，固态钠离子电池的应用还将继续扩大。由于其具有良好的安全性、高能量密度和资源丰富等特点，因此，有望成为二次电池领域的一个重要发展方向。

此前，在钠金属固态电池中，由于金属钠与固态电解质界面润湿性差，容易导致界面副反应及钠枝晶的产生，从而造成电池短路。

针对这一问题，华北理工大学刘山教授和合作者希望通过引入一种能与金属钠和固态电解质存在（电）化学稳定、良好润湿性以及具有一定应力缓释能力的液相界面，来改善金属钠与固态电解质间的界面稳定性。

图 | 刘山（来源：资料图）

调研之后，他们选定液态 Na-K 合金作为界面层，液态 Na-K 合金具有优异的电荷传输动力学、以及本征无枝晶的特性。

实验发现，该界面层的引入可以有效改善金属钠与固态电解质间的界面润湿性，并能抑制界面副反应与钠枝晶的产生，有效提升电池的循环寿命和倍率性能，解决固态钠离子电池中的负极界面阻抗大以及钠枝晶生长的问题。

日前，相关论文以《固体钠离子电池准液体合金界面的设计》（Designing a Quasi-Liquid Alloy Interface for Solid Na-Ion Battery）为题发在 ACS Nano 上[1]，SuoJing 是第一作者，上海交通大学罗加严教授和华北理工大学刘山教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

由于可以采用金属钠作为阳极，这让钠金属固态电池的能量密度迈上一个新台阶。

但是，伴随而来的就是阳极在沉积过程中，会出现严重的枝晶生长问题。在前期研究基础之上，自 2019 年起该团队开始尝试使用在常温下可以呈现液态的钠钾合金作为阳极，来解决阳极/固态电解质界面润湿性差、以及钠枝晶生长等问题。

然而，由于液态合金在室温下具有大的表面张力，并不能直接将其应用于固态电池。后来，课题组通过界面元素修饰与载体材料设计等方法，实现了液态合金与固态电解质在室温下的良好润湿。

但是，组装的电池依然不能正常运行。刘山表示：“针对电池不能正常运行，我们做了很多尝试，回过头来重新审视整个实验的设计，我们猜测失败的原因可能有两个方面：一方面是钠钾合金当中的钾，可能会与固态电解质发生反应，这会导致固态电解质的失效；另一方面，金属钾比金属钠有着更低的电位，这可能导致钠的沉积具有较大过电位，致使液态钠钾合金与 NASICON 型固态电解质间存在较大的界面电阻，故会导致电池的失效。”

根据以上猜测以及从失败实验中积累的经验，该团队又设计了一系列的实验去验证上述猜想。

后来，课题组发现钾与固态电解质的直接反应非常微弱，因此他们认为第二个猜测应该是电池无法运行的原因。

为了解决这一问题，最好的策略就是加大电极中钠金属含量的占比。于是，他们把液态钠钾合金作为阳极/固态电解质的界面层，来对电池性能进行改善。

这样一来，同样可以达到改善界面润湿与抑制枝晶生长的目的。“后来的实验正如设想的一样，电池展现出了非常好的性能。”刘山说。

完成实验之后，课题组开始撰写论文并投稿。“2020 年，我们在向 Nature Communication 投稿之后，收到了三位审稿人的评审意见，其中一位审稿人肯定了我们的工作，其余两位审稿人认为工作还不够充实，也因此与 Nature Communication 失之交臂，这对我们来说是一个不小的打击。”刘山说。

然而，三位审稿人都各自给出了宝贵的意见，在仔细研究这些建议之后，他们修改了实验方案，又经过两年的努力，本次论文终于被 ACS Nano 接收。

未来，他们打算继续优化液态合金或金属在固态钠离子电池中的应用研究，从根本上改善固态钠离子电池中阳极侧“点接触”问题。

另据悉，华北理工大学化学工程学院固态电池团队成立于 2019 年，由刘山担任团队主要负责人，主要研究方向为新型储能材料与器件，特别是全固态锂/钠离子电池与全固态空气电池等，目前已在 Nano Lett、Joule、Adv Mater、Adv Energy Mater、Energy Storage Mater、ACS Nano、Small、J. Mater. Chem. A 等国际期刊上发表论文二十余篇，申请发明专利若干，并与相关新能源企业签订了长期的技术合作协议。

参考资料：

1.Suo, J., Zhao, Q., Tian, H., Wang, L., Dai, L., Luo, J., & Liu, S. (2023). Designing a Quasi-Liquid Alloy Interface for Solid Na-Ion Battery. ACS Nano, 223685.

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