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北京理工大學(xué)材料學(xué)院金海波教授課題組設(shè)計了一種基于壓電效應(yīng)的負(fù)極/固體電解質(zhì)界面層，通過平衡電池內(nèi)部的電場，有效改善了固態(tài)鈉電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)研究結(jié)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(fā)表。北京理工大學(xué)材料學(xué)院2020級博士生倪青為第一作者，王成志預(yù)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(rèn)為是下一代儲能設(shè)備的理想選擇。固態(tài)鈉電池具有能量密度高、安全性能好等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中卻面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是鈉金屬負(fù)極與固體電解質(zhì)的之間固-固界面阻抗問題，會嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命和倍率性能。為了解決這一問題，課題組基于壓電效應(yīng)，分別構(gòu)建了AlN和ZnO界面層，這種界面層可以平衡電池內(nèi)部的電場，抑制電子積累，從而達(dá)到抑制鈉金屬枝晶生長和改善鈉沉積/解離循環(huán)穩(wěn)定性的目的（圖1）。

研究團(tuán)隊在NZSP電解質(zhì)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(tài)對稱電池的界面電阻分別低至91和239 Ω cm2，表現(xiàn)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(xiàn)了850小時和4900小時的穩(wěn)定鈉金屬沉積/解離循環(huán)（圖2）。進(jìn)一步，研究團(tuán)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(zhì)、鈉金屬箔作為負(fù)極的電池體系，性能實驗結(jié)果表明，使用ZnO作為界面層的電池在0℃和30℃時均表現(xiàn)出良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在0.15-2.5C的充放電速率下，電池均能保持穩(wěn)定的放電容量。在0.5C的充放電速率下，電池在0℃環(huán)境下的初始放電容量為88.5mAh/g，經(jīng)過500次循環(huán)后，容量保持率為70.6%（圖3）。這項研究不僅為固態(tài)鈉電池的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路，也可拓展和促進(jìn)固態(tài)鈉電池在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

圖1 壓電界面層設(shè)計及結(jié)構(gòu)表征

圖2 全固態(tài)對稱電池性能

圖3 固態(tài)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(xué)材料學(xué)院2020級博士生，導(dǎo)師金海波教授，研究方向為層狀氧化物正極材料及固態(tài)鈉電池，目前以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Small發(fā)表學(xué)術(shù)論文3篇。

王成志，預(yù)聘助理教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事固態(tài)鈉電池研究。作為負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)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(fā)表論文18篇。

趙永杰，副教授，主要從事氧化物基陶瓷電解質(zhì)及其固態(tài)電池應(yīng)用研究。作為負(fù)責(zé)人先后主持和完成國家自然科學(xué)基金、企業(yè)合作等科研項目10余項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，SCI引用2000余次。申請發(fā)明專利10余項。擔(dān)任清華大學(xué)“先進(jìn)材料國家級實驗教學(xué)示范中心”教學(xué)指導(dǎo)委員會委員。

金海波，教授，博士生導(dǎo)師，國家級學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人才，科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊帶頭人，北京市課程思政教學(xué)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人。主要從事智能材料/能量存儲與轉(zhuǎn)化材料研究。作為負(fù)責(zé)人先后主持和完成863計劃、國家自然科學(xué)基金、教育部重大項目等科研項目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，SCI他引1萬余次。承擔(dān)省部級教改項目2項，主編教材2部。獲國家級教學(xué)成果二等獎1項，北京市教育教學(xué)成果獎2項、省部級科技進(jìn)步獎1項。