北理工課題組在低溫固態(tài)鈉電池研究方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-12-27 供稿：材料學(xué)院 王成志 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
北京理工大學(xué)材料學(xué)院金海波教授課題組設(shè)計(jì)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(chǎng),，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(jí)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(chǔ)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(diǎn),，但在實(shí)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(huì)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(chǎng)，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(duì)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(cè)試條件下,，ZnO層修飾的固態(tài)對(duì)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(shí)現(xiàn)了850小時(shí)和4900小時(shí)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(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，使用ZnO作為界面層的電池在0℃和30℃時(shí)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(xiàng)研究不僅為固態(tài)鈉電池的設(shè)計(jì)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(jì)及結(jié)構(gòu)表征
圖2 全固態(tài)對(duì)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(jí)博士生,，導(dǎo)師金海波教授，研究方向?yàn)閷訝钛趸镎龢O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(xiàng)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(xiàng)目10余項(xiàng),。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇,，SCI引用2000余次。申請(qǐng)發(fā)明專利10余項(xiàng),。擔(dān)任清華大學(xué)“先進(jìn)材料國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員,。
金海波，教授,，博士生導(dǎo)師,，國家級(jí)學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人才，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人,，北京市課程思政教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,。主要從事智能材料/能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化材料研究。作為負(fù)責(zé)人先后主持和完成863計(jì)劃,、國家自然科學(xué)基金,、教育部重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)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(jí)教改項(xiàng)目2項(xiàng)，主編教材2部,。獲國家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng),，北京市教育教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng),、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)。
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