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

與鋰電池相比，鈉電池通常被認為能量密度較低。因此，使用鈉電池會不可避免地引起待機時間短、續航里程短等應用缺陷。但鈉電池成本低廉，在大型儲能設備中（如電網）是鋰電池的強有力競爭者。采用陶瓷類固態電解質取代可燃性液態電解質，并采用高能量密度的鈉金屬作為負極有望大幅提升鈉電池的能量密度。這為我們的日常儲能需求提供了潛在的高儲能、低成本、高安全的解決方案。然而，鈉金屬反應活性極高，會與大部分液態和固態電解質甚至空氣以及水發生化學反應，從而大大降低電池的充放電效率。

在與美國合作伙伴開展的研究中，薄首行和團隊成員們發現Na3SbS4的鈉離子固態電解質在暴露空氣后，電池充放電性能不但沒有任何衰減，反而會大幅提高。這一研究成果打破了空氣及水環境對電池有害的傳統認知，說明適度的空氣暴露反而會提高鈉金屬與固態電解質的界面穩定性，為全固態鈉電池的鈉金屬-固態電解質的界面設計提供了全新的思路。訂閱材料科學與工程公眾號學習更多。結合密度泛函理論計算以及同步輻射X射線深度剖析，該研究團隊進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層。其與鈉金屬反應后產生只允許鈉離子傳導的反應鈍化層。