近日，上海交通大學(xué)密西根學(xué)院教師薄首行在國(guó)際頂級(jí)出版社Cell press 旗下知名學(xué)術(shù)期刊《Joule》雜志上發(fā)表其最新研究成果《Reactivity-guided interface design in Na metal solid-state batteries》，提出了全固態(tài)鈉金屬電池界面設(shè)計(jì)的新思路。薄首行是該論文的通訊作者之一。另一位通訊作者是美國(guó)工程院院士、加州大學(xué)伯克利分校杰出講席教授Gerbrand Ceder。加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系四年級(jí)博士研究生Yaosen Tian為論文的第一作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118306251

與鋰電池相比，鈉電池通常被認(rèn)為能量密度較低。因此，使用鈉電池會(huì)不可避免地引起待機(jī)時(shí)間短、續(xù)航里程短等應(yīng)用缺陷。但鈉電池成本低廉，在大型儲(chǔ)能設(shè)備中（如電網(wǎng)）是鋰電池的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。采用陶瓷類固態(tài)電解質(zhì)取代可燃性液態(tài)電解質(zhì)，并采用高能量密度的鈉金屬作為負(fù)極有望大幅提升鈉電池的能量密度。這為我們的日常儲(chǔ)能需求提供了潛在的高儲(chǔ)能、低成本、高安全的解決方案。然而，鈉金屬反應(yīng)活性極高，會(huì)與大部分液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)甚至空氣以及水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而大大降低電池的充放電效率。

鈉離子固態(tài)電解質(zhì)Na3SbS4在暴露空氣后大幅提高全固態(tài)鈉金屬電池的充放電穩(wěn)定性

在與美國(guó)合作伙伴開展的研究中，薄首行和團(tuán)隊(duì)成員們發(fā)現(xiàn)Na3SbS4的鈉離子固態(tài)電解質(zhì)在暴露空氣后，電池充放電性能不但沒(méi)有任何衰減，反而會(huì)大幅提高。這一研究成果打破了空氣及水環(huán)境對(duì)電池有害的傳統(tǒng)認(rèn)知，說(shuō)明適度的空氣暴露反而會(huì)提高鈉金屬與固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性，為全固態(tài)鈉電池的鈉金屬-固態(tài)電解質(zhì)的界面設(shè)計(jì)提供了全新的思路。訂閱材料科學(xué)與工程公眾號(hào)學(xué)習(xí)更多。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算以及同步輻射X射線深度剖析，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明充放電性能的提升是由于在空氣暴露后Na3SbS4的表面生成了一層水合物保護(hù)層。其與鈉金屬反應(yīng)后產(chǎn)生只允許鈉離子傳導(dǎo)的反應(yīng)鈍化層。

這篇文章的合作者還包括加州大學(xué)伯克利分校的Yingzhi Sun和Yihan Xiao，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Daniel Hannah，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hao Wang和Karena Chapman。研究工作得到了三星先進(jìn)研究院（Samsung Advanced Institute of Technology）的全力支持。

背景介紹：

薄首行現(xiàn)任上海交通大學(xué)密西根學(xué)院助理教授。他于2009年和2014年先后在復(fù)旦大學(xué)和美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校獲得化學(xué)學(xué)士與博士學(xué)位。2014 – 2017年期間先后在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部擔(dān)任博士后研究員。薄首行于2017年7月加入密西根學(xué)院，近期研究課題包括材料和系統(tǒng)尺度的固態(tài)儲(chǔ)能材料研究，無(wú)機(jī)材料合成的原位譜學(xué)和衍射研究等。