英国beat365官方APP材料学院金海波教授课题组设计了一种基于压电效应的负极/固体电解质界面层，通过平衡电池内部的电场，有效改善了固态钠电池的倍率性能和循环稳定性。相关研究结果近日以“Piezoelectric Interlayer Enabling a Rechargeable Quasi-Solid-State Sodium Battery at 0 ℃”为题在国际知名期刊《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202309298）上发表。英国beat365官方APP材料学院2020级博士生倪青为第一作者，王成志预聘助理教授、赵永杰副教授和金海波教授为论文共同通讯作者。

钠电池由于其丰富的资源和较低的成本，被认为是下一代储能设备的理想选择。固态钠电池具有能量密度高、安全性能好等优点，但在实际应用中却面临诸多挑战，尤其是钠金属负极与固体电解质的之间固-固界面阻抗问题，会严重影响电池的循环寿命和倍率性能。为了解决这一问题，课题组基于压电效应，分别构建了AlN和ZnO界面层，这种界面层可以平衡电池内部的电场，抑制电子积累，从而达到抑制钠金属枝晶生长和改善钠沉积/解离循环稳定性的目的（图1）。

研究团队在NZSP电解质表面沉积了两种典型的钨青铜型压电材料AlN和ZnO作为界面层。在30℃和0℃测试条件下，ZnO层修饰的固态对称电池的界面电阻分别低至91和239 Ω cm²，表现出明显的低界面电阻行为。此外，该电池在0℃和30℃下分别实现了850小时和4900小时的稳定钠金属沉积/解离循环（图2）。进一步，研究团队测试了Na₂MnFe(CN)₆作为正极、ZnO层修饰Na₃Zr₂Si₂PO₁₂（ZnO-NZSP）作为固体电解质、钠金属箔作为负极的电池体系，性能实验结果表明，使用ZnO作为界面层的电池在0℃和30℃时均表现出良好的倍率性能和循环稳定性。在0.15-2.5C的充放电速率下，电池均能保持稳定的放电容量。在0.5C的充放电速率下，电池在0℃环境下的初始放电容量为88.5mAh/g，经过500次循环后，容量保持率为70.6%（图3）。这项研究不仅为固态钠电池的设计和优化提供了新的思路，也可拓展和促进固态钠电池在低温环境下的应用。

图1 压电界面层设计及结构表征

图2 全固态对称电池性能

图3 固态全电池的性能

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202309298

附作者介绍：

倪青，英国beat365官方APP材料学院2020级博士生，导师金海波教授，研究方向为层状氧化物正极材料及固态钠电池，目前以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Small发表学术论文3篇。

王成志，预聘助理教授，硕士生导师。主要从事固态钠电池研究。作为负责人主持国家自然科学基金等科研项目。以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Science等期刊发表论文18篇。

赵永杰，副教授，主要从事氧化物基陶瓷电解质及其固态电池应用研究。作为负责人先后主持和完成国家自然科学基金、企业合作等科研项目10余项。发表学术论文80余篇，SCI引用2000余次。申请发明专利10余项。担任清华大学“先进材料国家级实验教学示范中心”教学指导委员会委员。

金海波，教授，博士生导师，国家级学术领军人才，科技部重点领域创新团队带头人，北京市课程思政教学团队负责人。主要从事智能材料/能量存储与转化材料研究。作为负责人先后主持和完成863计划、国家自然科学基金、教育部重大项目等科研项目。发表学术论文100余篇，SCI他引1万余次。承担省部级教改项目2项，主编教材2部。获国家级教学成果二等奖1项，北京市教育教学成果奖2项、省部级科技进步奖1项。