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

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。