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昆明理工大学梁风/熊仕昭：超快UV光固化实现固态钠金属电池稳定界面

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-22 11:46

正文

【主要工作】

引入固态电解质来开发高能量密度、高安全性钠基电池被认为是最有效的策略之一。然而，低离子电导率的固态电解质、及电极与电解质之间差的界面相容性阻碍了固态钠金属电池的实际应用。固态电解质的低离子电导率增加了电池内阻，降低了离子传输效率，电极/电解质界面稳定性不足和差的固固接触，通常导致更大界面阻抗，限制界面离子传输，加剧枝晶生长，恶化电池性能。为解决上述问题，以单一目标目提高固态电解质离子电导率或增强电池正极（负极）界面稳定性已取得了显著进展。然而，由于正负极两侧界面面临着截然不同的挑战，目前尚缺乏能够同时满足高性能固态钠金属电池正负极要求的研究工作。

为此，昆明理工大学梁风教授团队提出一种紫外光高效固化制备高离子电导复合固态电解质的新策略，可在45秒内实现复合固态电解质的快速制备。并通过溶剂化结构调控和原位固化同时构建稳定的界面相和紧密界面。有效抑制了电池枝晶生长及界面反应，降低了电池界面阻抗，实现电池长循环寿命。Na||NVP电池在2 C电流密度下展现出102 mAh g ^–1 的比容量，循环2100次后容量保持率高达91.2%，与同类固态电池相比具有明显优势。该策略为固态电解质的高效制备和固态钠金属电池界面兼容性改善提供了新思路，助力固态钠金属电池的商业化。相关研究成果以《Ultrafast UV Curing Enabling A Stable Interphase and Interface for Solid-State Sodium−Metal Batteries》为题，发表在 ACS Energy Letters 上。昆明理工大学梁风教授、熊仕昭教授为论文共同通讯作者，2023级直博生李付鹏为论文第一作者。

【内容表述】

图1. 固态钠金属电池的制备过程和结构。 (a) 一体化固态钠金属电池的制备过程。(b) 复合固态电解质的原位聚合（过程1为聚合物链引发，过程2为聚合物链增长）。(c)一体化固态钠金属电池的界面设计。

分子设计原位固化，与现有离子电池生产工艺兼容，在推进固态钠金属电池商业化方面有巨大潜力；溶剂化结构调控和原位固化同时解决电池正负极界面挑战。

图2. 不同成分CSEs-F的结构和性质。 (a)光照射前后CSEs-F在1590-1750 cm ^-1 范围内的傅立叶变换红外光谱。(c) NASICON、不含 NASICON的CSE、CSE和 CSEs-F的XRD图。(d) 不同NASICON含量的CSEs-F的离子导电率。(e)不同SCN含量的CSEs-F的拉伸强度。(f) CSEs-F的截面SEM图像。(g) CSEs-F的表面SEM图像和EDS图谱。

电解质45秒内完成固化，无溶剂挥发过程使得复合固态电解质平整致密，具有良好拉伸性能；有机-无机电解质复合降低了聚合物的结晶度，离子电导率高达0.59 mS cm ^–1 。

图3. CSEs-F中溶剂化结构的实验和计算结果。不同物质（a）及与Na ⁺ 结合后（b）的LUMO和HOMO能级，（c）CSEs-F中各组分的静电势。（d）CSEs和CSEs-F的FITR。（e）CSEs和CSEs-F的固态核磁谱（SSNMR）。(f) CSEs和CSEs-F的溶剂化结构和SEI形成示意图。

引入FEC成功构建了竞争溶剂化结构，削弱了 Na ⁺ 与有机溶剂的溶剂化能力，促使更多FSI ^– 参与溶剂化配位，更趋向于形成CIP和AGG配位环境；溶剂化壳层内，靠近钠时具有较低LUMO的FEC优先还原，在钠金属表面形成富NaF的SEI。

图4. 钠金属负极的界面稳定性和SEI形成。 (a)电化学稳定性窗口，（b）活化能，(c)电解质的离子迁移数。(d)Na||Na对称电池的电压-时间曲线。（e）钠金属阳极上SEI在100次循环后的杨氏模量及（f）CSE的XPS分谱，（g）CSE-F的XPS分谱和(h)全谱。（i）SEI形成的分解途径。

富NaF SEI层构建使得电化学稳定窗口高达5.02 V，有效抑制了钠与有机溶剂的继续反应；富NaF SEI层具有高的杨氏模量和均匀快速离子传输特性，有效抑制了负极侧枝晶生长，Na||Na对称电池稳定循环超2800小时。

图5. Na||CSE-F||NVP 电池的电化学性能。 (a) 电池在2C下的循环性能和(b)电压曲线。(c)固态钠金属电池与之前文献报道的复合电解质的容量保持率比较。(d-e）电池的倍率性能和（f）低温循环性能。

高离子电导率复合固态电解质及稳定界面相的设计使得Na||CSE-F||NVP全电池具有良好的循环稳定性，2C电流密度下500次循环后没有明显的容量损失；电池具有较宽工作温区，在低温0℃及–20℃下同样具有优异性能。

图6. 一体化Na||CSE-F@NVP电池的电化学性能。 (a)集成电极-电解质界面的横截面SEM图像。(b)Na||CSE-F@NVP和Na||CSE-F||NVP的电化学阻抗谱。(c)Na||CSE-F@NVP 电池的长期循环性能和(d)电压曲线。(e-f）Na||CSE-F@NVP电池的速率性能。

电极/电解质一体化构建了紧密接触界面，电池界面阻抗明显降低，电池在2C高倍率下容量高达102 mAh g ^–1 。电解质的弹性为电池循环过程中体积应变提供了缓冲，电池展现了2100次循环后高达91.2%的容量保持率。

【总结】

该工作为固态电解质的高效制备和固态钠金属电池界面兼容性改善提供了新思路，助力固态钠金属电池的商业化。

（1）提出一种紫外光高效固化制备高离子电导复合固态电解质的新策略，可在45秒内实现复合固态电解质的快速制备。该工艺高效简便，为固态钠金属电池商业化提供了新思路。

（2）通过引入FEC设计竞争溶剂结化构和UV原位固化，同时实现了稳定的界面相（interphase）和紧密界面（interface）构建。

（3）受益于稳定界面相和界面的构建，Na||CSE-F||Na展现出2800小时的稳定循环，Na||CSE-F@NVP在2C下循环2100次后容量保持率高达91.78%。

Fupeng LiKun RenMinjie HouMingcan LinXiecheng YangYingjie ZhouShizhao Xiong*Feng Liang*, Ultrafast UV Curing Enabling A Stable Interphase and Interface for Solid-State Sodium–Metal Batteries, ACS Energy Lett. 2025, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03043

第一作者

李付鹏，昆明理工大学2023级直博生，主要研究方向为固态电解质开发及界面改性。主持云南省博士生服务产业专项项目1项，全国大学生创新创业训练计划国家级项目1项。以第一作者在ACS Energy Lett.，Energy Storage Mater.上发表论文2篇。以第一/第二发明人申请专利10件，其中PCT1件；荣获博士研究生国家奖学金，以项目负责人获中国国际大学生创新大赛银奖等国家级竞赛奖项5项。

通讯作者

熊仕昭，昆明理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，先后主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、云南省“兴滇英才”青年人才专项、瑞典能源局规模储能专项，作为主要负责人承担欧盟石墨烯旗舰项目锂硫电池子课题、欧盟电池2030+旗舰项目固态电池子课题等多项课题。以第一作者/通讯作者在Nat Commun、Adv Mater、Adv Energy Mater等学术期刊上发表论文100余篇，代表性工作入选瑞典皇家工程科学院2023年度进展。

梁风，日本东京工业大学博士，昆明理工大学教授，日本九州大学客座教授，博士生导师，现任昆明理工大学冶金与能源工程学院副院长，入选“国家高层次人才”青年学者、人社部高层次留学回国人才、云南省高端科技人才、云南省杰青、云南省“兴滇英才支持计划”产业创新人才等人才计划。任云南省中日等离子体国际联合实验室主任，云南省教育厅等离子冶金及材料重点实验室主任，中国稀土学会稀土晶体专委会副主任委员等。课题组主要从事等离子体制备与改性功能材料、钠基电池及关键材料制备等方向的研究。以第一/通讯在Nat. Commun., Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文100余篇，授权国家发明专利15件，美国专利5件，日本专利2件。

招聘启示： 课题组常年招收材料理论计算、机器学习辅助材料设计等相关专业青年工作人员（事业编），熟悉电化学及电池方向理论计算者优先。联系方式： [email protected] 。

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