日前，昆明理工大學冶金與能源工程學院、真空冶金國家工程研究中心梁風教授團隊在固態鈉金屬電池研究方面取得重要進展，相關研究成果在能源與材料領域國際頂級學術期刊上發表。該研究提出紫外光固化法快速制備高離子電導率固態電解質策略，實現固態鈉金屬電池穩定界面相和緊密界面的構建。相關研究成果以《Ultrafast UV Curing Enabling A Stable Interphase and Interface for Solid-State Sodium?Metal Batteries》為題，發表在能源領域頂級期刊ACS Energy Letters上。昆明理工大學梁風教授、熊仕昭教授為論文共同通訊作者，2023級直博生李付鵬為論文第一作者。
設計高性能固態鈉金屬電池需要同時克服固態電解質離子導電率低及電極與電解質間界面相容性差難題。梁風教授研究團隊提出一種紫外光高效固化制備高離子電導復合固態電解質的新策略，可在45秒內實現復合固態電解質的快速制備。并通過溶劑化結構調控和原位固化同時構建了穩定的界面相和緊密界面（圖1）。有效抑制了電池枝晶生長及界面反應，降低了電池界面阻抗，實現電池長循環壽命。Na||NVP電池在2 C電流密度下展現出102 mAh·g–1的比容量，循環2100次后容量保持率高達91.2%，與同類固態電池相比具有明顯優勢。該策略為固態電解質的高效制備和固態鈉金屬電池界面兼容性改善提供了新思路，助力固態鈉金屬電池的商業化。
圖1. 固態鈉金屬電池的制備過程和實現穩定循環的機理示意圖。
設計具有離子-電子混合導的負極/電解質界面內建電場，實現了負極/電解質界面高穩定性和快速鈉離子傳輸特性。相關研究成果以《Interface Stable Kinetics Triggered by Interfacial Built-in Electric Field in Solid-State Sodium-Metal Battery》為題發表在材料領域頂級期刊Advanced Function Materials上。昆明理工大學梁風教授、澳門大學蔡永青教授為論文共同通訊作者，博士生楊冬榮和澳門大學博士生管齊業為論文共同一作。
梁風教授研究團隊通過設計一種具有離子-電子混合導的層狀復合固體電解質用于構建電池界面處的內建電場，有效改善負極表面鈉均勻沉積和電池的倍率性能，實現固態Na||Na電池在0.1 mA·cm?2下26400次的超長循環壽命，以及固態Na||NVP電池在2.0 C下循環1500次后97.4%的高容量保持率，性能在同類電池中處于先進水平（圖2）。實驗結果、有限元模擬和密度泛函理論計算表明，界面內建電場能均勻負極/固體電解質界面電場和離子濃度場分布，并提高鈉離子界面傳導動力學性能。
圖2. 固態電解質界面電場及功能示意圖：（a）復合固體電解質（PPNN）||Na界面，（b）離子-電子混合導電層固體電解質（MIECHSE）||Na界面。
此前，梁風教授團隊與企業合作已在江蘇省徐州市邳州經濟開發區建立了國內首條NASICON型鈉基固態電解質中試生產線（圖3），為固態鈉電池商業化奠定了堅實的基礎。
圖3. NASICON型鈉基固態電解質中試產線部分設備及產品
昆明理工大學為上述成果的第一完成單位，相關研究得到國家自然科學基金、云南省基礎研究專項杰出青年項目和重點項目的資助。
論文鏈接：
ACS Energy Letters：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03043
Advanced Function Materials：https://doi.org/10.1002/adfm.202420014
