近日，上海交通大學(xué)密西根學(xué)院教師薄首行在國際頂級出版社Cell press 旗下知名學(xué)術(shù)期刊《Joule》雜志上發(fā)表其最新研究成果《Reactivity-guided interface design in Na metal solid-state batteries》，提出了全固態(tài)鈉金屬電池界面設(shè)計的新思路。薄首行是該論文的通訊作者之一。另一位通訊作者是美國工程院院士、加州大學(xué)伯克利分校杰出講席教授Gerbrand Ceder。加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系四年級博士研究生Yaosen Tian為論文的第一作者。

與鋰電池相比，鈉電池通常被認(rèn)為能量密度較低。因此，使用鈉電池會不可避免地引起待機時間短、續(xù)航里程短等應(yīng)用缺陷。但鈉電池成本低廉，在大型儲能設(shè)備中（如電網(wǎng)）是鋰電池的強有力競爭者。采用陶瓷類固態(tài)電解質(zhì)取代可燃性液態(tài)電解質(zhì)，并采用高能量密度的鈉金屬作為負(fù)極有望大幅提升鈉電池的能量密度。這為我們的日常儲能需求提供了潛在的高儲能、低成本、高安全的解決方案。然而，鈉金屬反應(yīng)活性極高，會與大部分液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)甚至空氣以及水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而大大降低電池的充放電效率。

在與美國合作伙伴開展的研究中，薄首行和團(tuán)隊成員們發(fā)現(xiàn)Na3SbS4的鈉離子固態(tài)電解質(zhì)在暴露空氣后，電池充放電性能不但沒有任何衰減，反而會大幅提高。這一研究成果打破了空氣及水環(huán)境對電池有害的傳統(tǒng)認(rèn)知，說明適度的空氣暴露反而會提高鈉金屬與固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性，為全固態(tài)鈉電池的鈉金屬-固態(tài)電解質(zhì)的界面設(shè)計提供了全新的思路。結(jié)合密度泛函理論計算以及同步輻射X射線深度剖析，該研究團(tuán)隊進(jìn)一步證明充放電性能的提升是由于在空氣暴露后Na3SbS4的表面生成了一層水合物保護(hù)層。其與鈉金屬反應(yīng)后產(chǎn)生只允許鈉離子傳導(dǎo)的反應(yīng)鈍化層。

鈉離子固態(tài)電解質(zhì)Na3SbS4在暴露空氣后大幅提高全固態(tài)鈉金屬電池的充放電穩(wěn)定性

原標(biāo)題:密西根學(xué)院教師薄首行及其合作團(tuán)隊提出全固態(tài)鈉電池設(shè)計新思路