面向高效循环全固态钠电池的零应变电极材料与硫化物固态电解质的界面稳定性研究

Solid-state Na batteries can provide higher energy density at a much lower cost compared with state-of-the-art lithium ion batteries. However, because of the large volume expansion and contraction of electrode materials during the charge and discharge processes and their reactions with solid-state electrolytes, the interfaces therein is very often unstable leading to continuous impedance growth and thus substantial capacity decay. Employing zero-strain electrode materials with no volume change is a promising solution to interface challenges in terms of both mechanical and chemical stability. In this work, we select titanate based zero-strain electrodes (e.g., Na0.66Li0.22Ti0.78O2 ，Na2/3Co1/3Ti2/3O2) and sulfide solid-state electrolyte (i.e., Na3SbS4) as model systems, to explore the electrode-electrolyte-carbon interface variation during cycling. The aim of this proposed study is two-fold: 1. unravel the interface reaction mechanism between titanate zero-strain electrode materials with sulfide solid-state electrolytes; 2. prove zero-strain electrode materials can be used to achieve enhanced mechanical stability of the interface. This work will serve as basis for further optimization of solid-state battery interfaces, and the use of zero-strain electrodes will offer an unprecedented route toward solid-state Na batteries of high cycling efficiency.

全固态钠电池有望以更低的成本提供比锂电池更高的能量密度。但电极材料在充放电过程中的体积膨胀和收缩以及其与固态电解质的化学反应会引起相关界面的机械破坏和阻抗增加，导致电池容量衰减。采用无体积变化的零应变电极材料有望同时解决界面的机械和化学稳定性难题。在这项工作中，我们拟选取基于钛酸盐的零应变钠电池电极材料（如Na0.66Li0.22Ti0.78O2 ，Na2/3Co1/3Ti2/3O2），结合理论计算和具有高空间分辨率的同步辐射技术，深入探索其在充放电过程中的电极-电解质-导电剂界面变化，揭示零应变电极材料与硫化物固态电解质（如Na3SbS4）的界面反应机理并验证零应变电极材料能否实现界面机械稳定，为后续界面优化奠定基础。该工作的成功开展可为实现全固态钠电池的高效循环开辟新思路。

商业化锂离子电池的研发受制于原材料的成本及可持续供应。寻找新一代、高安全、低成本、高储量的储能技术尤为关键。钠离子电池由于资源优势，在中低能量密度需求的应用中具有本征优势，原则上能够以更低的成本提供与磷酸铁锂电池相当甚至更高的能量密度。由于固态电解质不易燃且可匹配高容量金属负极，采用固态电解质替代液态电解液可进一步提高电池安全性和能量密度。因此，本项目从表征技术、理论机制和关键材料三个方面开展工作，将同步辐射等手段应用于固态电池以表征界面反应过程，构建电池成本和能量密度模型以明确固态钠电池的定位，研究电极/固态电解质界面稳定性，构建电化学-力学耦合模型，提出Meyer–Neldel规则提出适用于离子输运和电子输运的普适规律，并合成了超薄无盐固态复合电解质膜。研究团队在Advanced Energy Materials，Science Bulletin等国际、国内高水平期刊发表高水平文章4篇。在表征手段方面，本项目发展适用于全固态电池的界面表征方法，成功获取空间、化学组分、元素价态、物质结构等多维度信息，理解固态电解质在外部压力下的界面行为。在理论机制方面，本项目基于BatPac 5.0模型构建电池成本和能量密度模型，明确了固态钠电池在储能领域及动力电池中的定位和未来发展路线;遵循 Monroe–Newman方法构建电化学-力学耦合模型评估固态电解质机械性能以判断电极/电解质界面稳定性；引入Meyer–Neldel规则推导离子电导率与活化能的关系，提出面向不同种类固态离子导体的离子导电率优化方案。在关键材料方面，本项目采用两步法发展热压法制备无盐复合固态电解质薄膜，分析并揭示复合固态电解质薄膜加工工艺、微观结构与其电化学性能之间的相互关系。本项目所取得的研究成果为全固态电池的发展提供指导。全固态钠电池可推动电动自行车和低速电动车的进一步优化和普及，对低碳出行、环境保护具有重要意义。