北理工課題組在低溫固態(tài)鈉電池研究方面取得進展
發(fā)布日期：2023-12-27 供稿：材料學院 王成志 攝影：材料學院
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北京理工大學材料學院金海波教授課題組設(shè)計了一種基于壓電效應(yīng)的負極/固體電解質(zhì)界面層,，通過平衡電池內(nèi)部的電場,，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,。北京理工大學材料學院2020級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,，被認為是下一代儲能設(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,，但在實際應(yīng)用中卻面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是鈉金屬負極與固體電解質(zhì)的之間固-固界面阻抗問題,，會嚴重影響電池的循環(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，抑制電子積累,，從而達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）,。
研究團隊在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℃測試條件下,，ZnO層修飾的固態(tài)對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℃下分別實現(xiàn)了850小時和4900小時的穩(wěn)定鈉金屬沉積/解離循環(huán)（圖2）,。進一步，研究團隊測試了Na2MnFe(CN)6作為正極,、ZnO層修飾Na3Zr2Si2PO12（ZnO-NZSP）作為固體電解質(zhì),、鈉金屬箔作為負極的電池體系，性能實驗結(jié)果表明,，使用ZnO作為界面層的電池在0℃和30℃時均表現(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）,。這項研究不僅為固態(tài)鈉電池的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路,，也可拓展和促進固態(tài)鈉電池在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。
圖1 壓電界面層設(shè)計及結(jié)構(gòu)表征
圖2 全固態(tài)對稱電池性能
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,，北京理工大學材料學院2020級博士生,，導師金海波教授，研究方向為層狀氧化物正極材料及固態(tài)鈉電池,，目前以第一作者在Advanced Materials,、Advanced Energy Materials、Small發(fā)表學術(shù)論文3篇,。
王成志,，預(yù)聘助理教授，碩士生導師,。主要從事固態(tài)鈉電池研究,。作為負責人主持國家自然科學基金等科研項目。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。作為負責人先后主持和完成國家自然科學基金,、企業(yè)合作等科研項目10余項,。發(fā)表學術(shù)論文80余篇，SCI引用2000余次,。申請發(fā)明專利10余項,。擔任清華大學“先進材料國家級實驗教學示范中心”教學指導委員會委員。
金海波,，教授,，博士生導師，國家級學術(shù)領(lǐng)軍人才,，科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊帶頭人,，北京市課程思政教學團隊負責人。主要從事智能材料/能量存儲與轉(zhuǎn)化材料研究,。作為負責人先后主持和完成863計劃,、國家自然科學基金、教育部重大項目等科研項目,。發(fā)表學術(shù)論文100余篇,，SCI他引1萬余次。承擔省部級教改項目2項,，主編教材2部,。獲國家級教學成果二等獎1項,，北京市教育教學成果獎2項、省部級科技進步獎1項,。
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