上海硅酸盐所在固态钠电池应用基础研究方面取得进展

固态钠电池兼具资源丰富、安全性高、比能量高等优势，被认为是最有应用前景的新型储能技术之一。然而，固态钠电池中在应用中面临诸多挑战，Na金属负极与固态电解质之间的固-固接触导致高界面电阻和Na枝晶的形成，降低了Na的利用率，并损害了电池的循环稳定性；商业化制造的钠箔的厚度一般在50 µm以上，较高的N/P比非但不能提供额外的容量还会造成电池比能量的降低。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银研究员、吴相伟研究员团队针对上述问题，设计了一种三维多孔碳支撑的超薄钠负极结构，即在NASICON型电解质表面构建一种由金属有机框架ZIF-8/ZIF-67衍生的三维多孔碳支撑层（NCC）作为界面修饰层。一方面，利用孔道的毛细作用改善熔融钠在固体电解质表面的润湿特性，并通过NCC厚度的优化调控金属钠电极的厚度；另一方面，利用碳材料的储能特性，在界面层中形成具有高离子扩散系数和良好导电性的钠化碳，并在电化学反应过程中充当钠离子泵，形成三维的离子/电子混合导电网络，赋予钠负极快速的离子传输和电荷转移动力学，缓解局部电荷积累，实现了无枝晶的钠沉积。对称电池实现了3.5 mA cm−2的高临界电流密度和0.2 mA cm−2下6000 h的长循环寿命。匹配Na3V2(PO4)3正极的全电池在10 C下经历5100次循环后展现出90.2%的高容量保持率。更重要的是，使用有限钠金属负极与高面载量（17.3 mg cm−2）的Na3V2(PO4)3正极组装的固态钠电池，在N/P比低至1.05的条件下，循环100次后的容量保持率高达97%。这项研究为设计实用化高能量密度和长循环寿命的固态钠金属电池建立了重要的基础。

相关研究成果以“Sodium-Ion Pump Enhanced Composite Sodium Anode Toward Fast-Charging and Practical N/P Ratio Solid-State Sodium Metal Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials, 2025, 2501061。论文第一作者为上海硅酸盐所2020级博士生陈佳钰，通讯作者为温兆银研究员、吴相伟研究员。研究工作获国家自然科学基金重大项目、上海市科委“创新行动计划”等项目的资助和支持。

此外，该团队聚焦固态钠电池实用化过程中关键的科学问题，取得了一系列重要进展。在高比容电极材料方面，针对层状氧化物正极（NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2，以下简称NFM）在循环过程中的不可逆相变及界面副反应问题，采用Al、Cu协同调控策略，借助较强的Al-O键稳定金属氧八面体结构，抑制了姜泰勒效应和不可逆相变，利用Cu的电化学活性补偿比容量，提升了空气稳定性和电子导电性（Chemical Engineering Journal, 2023, 475: 146090）；进一步提出在NFM表面原位构建CoxB结合预设尖晶石的双功能包覆层新方法，成功抑制氧损失与混排效应以及界面副反应，电池循环性能得到显著提升（Advanced Energy Materials, 2024, 14(12): 2303773）。在超薄电解质材料方面，以低结晶度的PVDF-HFP为基体，将聚阴离子限域型钠盐（AMPSNa）键合到聚合物骨架中，制备了一种新型具有聚阴离子诱导的超薄固态聚合物电解质，Na+迁移数高达0.82，有效抑制了浓差极化，稳定了Na负极（Advanced Functional Materials, 2024, 34(42), 2405931）。在低阻抗、高稳定固-固界面方面，利用Na与SnF2的合金-转化反应，以及产物与金属Na表面张力的差异驱动重构了梯度界面修饰层，将Na/NASICON界面阻抗降低至2W.cm2，为公开报道最低值（Small Methods,2024, 8(7): 2301201）。上述研究成果为固态钠电池的实用化奠定了坚实的基础，并已申请发明专利6件。