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金海波教授、王成志副研究员, EnSM观点:调控NaNASCION电解质界面化学实现室温稳定固态钠金属电池
时间:2026-01-02 19:38:57
金海波教授、王成志副研究员, EnSM观点:调控NaNASCION电解质界面化学实现室温稳定固态钠金属电池
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金海波教授与王成志副研究员在EnSM发表观点,提出通过调控Na/NASICON电解质界面化学实现室温稳定固态钠金属电池,研究通过Cu2?掺杂显著改善界面性能,为高性能固态电池设计提供新策略。 以下为具体研究内容:研究背景与核心问题碱金属阳极与固态电解质界面电阻大、稳定性差是固态电池发展的关键瓶颈。研究团队通过Cu2?掺杂调控Na/NASICON界面化学,解决了界面相容性难题。实验表明,Cu2?掺杂的Na?.?Zr?.?Cu?.?Si?PO??(NZSP-0.2Cu)在25°C下界面电阻低至19 Ω cm2(未掺杂NZSP为665 Ω cm2),临界电流密度达0.5 mA cm?2,对称电池循环寿命突破1450小时。图1 材料表征 (a) XRD谱图及局部放大图 (b-c);(d) Rietveld精修结果;(e) 晶体结构模型;(f) TEM-EDS元素分布关键实验发现界面层形成机制:NZSP-0.2Cu表面生成以Cu?PO?为主的稳定界面层,有效抑制钠枝晶生长。XPS分析证实,循环后界面处Cu2?保持稳定,而未掺杂样品出现Zr??还原副反应。电化学性能突破:组装的NaCrO?|NZSP-0.2Cu|Na全电池在5C倍率下循环660次后容量保持率86.5%,库仑效率99.5%,性能显著优于传统NASICON电解质。图2 电化学测试 (a) 对称电池示意图;(b-c) 界面SEM对比;(d-e) Nyquist图;(f) 临界电流密度对比;(g) 阶梯电流循环曲线;(h) 循环性能对比理论计算支撑第一性原理计算揭示,Na/Cu?PO?界面的结合能(-3.21 eV)显著高于Na/Na?Zr?Si?PO??(-1.87 eV),解释了掺杂后界面稳定性提升的根源。EPMA测试进一步证实,NZSP-0.2Cu中Na沉积均匀性优于未掺杂样品。图3 界面分析 (a) ToF-SIMS深度剖面;(b) 3D元素模型;(c-h) XPS光谱对比研究意义与创新点方法创新:首次通过简单Cu2?掺杂实现NASICON型电解质界面精准调控,为低成本规模化生产提供可能。性能突破:在室温下同时实现高临界电流密度(0.5 mA cm?2)、低界面电阻(19 Ω cm?2)和超长循环寿命(1450小时),综合性能领先同类研究。理论深化:阐明了Cu?PO?界面相的形成机制及其对钠沉积行为的调控作用,为碱性金属阳极固态电池设计提供了理论依据。图5 全电池性能 (a) 结构示意图;(b) 倍率性能;(c) 充放电曲线;(d) Nyquist图;(e) 长循环性能研究团队与成果影响通讯作者:北京理工大学王成志副研究员(2019年博士毕业,研究方向为无机离子导体)与金海波教授(国家“万人计划”领军人才,发表SCI论文60余篇)。发表期刊:Energy Storage Materials(IF=20.831),文章链接:DOI:10.1016/j.ensm.2022.10.056。应用前景:该研究为高安全、长寿命固态钠金属电池开发奠定了材料与界面工程基础,有望推动大规模储能技术进步。
时间:2026-01-02 19:39:05
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