复旦大学夏永姚：Zr掺杂诱导全非晶化，助力全固态钠电池性能飞跃

健康生活 2025年08月23日 22:45 1 admin

全固态钠电池（ASSSBs）凭借钠资源丰富、高安全性和高能量密度等优势，正成为锂离子电池的理想替代品。然而，其关键组成部分——卤化物固态电解质（SSEs）因高结晶度导致离子电导率低、与正极界面接触差等问题，限制了其进一步发展。2025年8月21日，复旦大学夏永姚（国家杰青）团队与上海大学冯吴亮合作，在《Advanced Energy Materials》期刊发表题为“Zr-Doping Induced Complete Amorphization toward Highly Stable All-Solid-State Sodium Batteries”的研究论文，第一作者为李乐。该研究通过Zr掺杂诱导完全非晶化，成功制备出高性能的Na₁.₃₃Ta₀.₆₇Zr₀.₃₃Cl₆（NTZC）固态电解质，为全固态钠电池的发展提供了新的思路和方法。

研究团队采用高能球磨法合成了完全非晶化的NTZC固态电解质。Zr⁴⁺离子半径大于Ta⁵⁺，其掺杂不仅扭曲了TaCl 6 ⁻八面体，扩大了Na⁺迁移通道，减少了Cl⁻对Na⁺传输的阻碍，还扩大了晶格体积，降低了Na⁺迁移的活化能。在25℃下，NTZC展现出3.4 mS cm⁻¹的显著离子电导率和优异的粘弹性。与Na₀.₉₅Ni₀.₃₃Fe₀.₃₃Mn₀.₃₃O₂正极配对的ASSSBs，在高载量（20.85 mg cm⁻²）下于0.5 C循环450次后容量保持率高达77.45%。此外，NTZC还具有宽电化学稳定窗口和优异的界面接触，显著提升了电池的循环稳定性和安全性。该研究深入探讨了阳离子异价掺杂与非晶转变之间的关系，为钠离子固态电解质的设计与制备提供了新的理论依据。

该成果不仅在实验上取得了突破，还通过多种先进表征手段揭示了其背后的机理。XRD图谱显示，Zr掺杂诱导了材料的完全非晶化；固态核磁共振谱、电子顺磁共振谱和拉曼光谱等进一步证实了非晶态结构的形成及其对离子传输的促进作用。SEM和AFM图像表明，非晶NTZC具有更均匀的微观结构和更低的杨氏模量，有助于改善界面接触。此外，基于NTZC的ASSSBs在不同电流密度下展现出优异的倍率性能和长循环稳定性。该研究为全固态钠电池的商业化应用奠定了坚实基础，有望推动其在电动汽车、智能电网等领域的广泛应用。