孙学良开发双阴离子基钠超离子导体，为全固态钠离子电池开辟途径

近年来，加拿大西安大略大学孙学良院士团队一直致力于全固态电池技术的研究，并在此领域取得了多项突破，尤其是在锂基卤化物固态电解质的研究方向上做出了较多贡献。

这几年，考虑到锂资源的紧缺以及当前能源市场的需求，他们将研究方向进一步扩展到全固态钠电池领域。

图 | 孙学良院士（来源：孙学良院士）

近日，该课题组在能量转换材料上通过使用双阴离子框架结构，开发出一类新型的双阴离子基钠超离子导体（Na2O2-MCly; M = Hf, Zr, Ta）。

由于同时引入了氧离子和氯离子，这使得此类材料突破了传统单一阴离子框架固态电解质的局限。

在提高离子电导率的同时，还能改善电解质与正极的界面兼容性，从而能够显著增强全固态钠离子电池的整体性能和循环稳定性。

双阴离子框架结构在促进钠离子快速传输上也展现出了广泛的适用性。

这种普适性使得双阴离子框架结构在与多种金属元素（如 Hf、Zr、Ta）搭配时，可以形成具有不同性能优势的电解质材料，从而为定制适用于不同应用场景的电池技术提供可能。

同时，这款全固态钠离子电池兼具高安全性、高能量密度、高经济效益以及环保特性，预计将在多个关键领域得到应用。

（来源：Nature Materials）

在电动汽车领域，全固态钠离子电池能够显著增加单次充电的续航里程，从而可以减少充电次数，提高用户的驾驶体验。由于这种电池采用固态组成的方式，故能避免液态电解液泄漏的风险，从而极大降低发生火灾或爆炸的可能性。

在大规模能源存储系统领域，全固态钠离子电池非常适合用于储存风能、太阳能等可再生能源的电力。由于这些能源的输出通常存在间歇性和不稳定性，所以需要一种能够高效存储电能并能迅速提供电力的电池系统。而全固态钠离子电池可以在发电量过剩时储存多余的电能，并能在发电不足时释放出来，从而帮助电网维持稳定的供电，确保能源的可靠供应。

在军事和航空航天领域，全固态钠离子电池能够在极端环境下提供稳定的能量供应。其结构稳定且无液态成分的特性，使得这种电池能够有效应对极端温度和机械撞击。因此，全固态钠离子电池也非常适合用于海洋资源探索等对耐用性要求较高的场景。

该团队表示，在应对全球气候变化和实现碳中和目标的大背景下，开发新型能源技术至关重要。

全固态钠离子电池是一种富有前景的新型绿色能源技术。除了比较环保之外，相比锂离子电池钠不仅资源更加丰富，成本则更加低廉，这让它成为了一个很好的替代性选择。

相比传统的液态电池，全固态钠离子电池使用的是固态电解质，它不会像有机液态电解液那样容易泄露或容易着火，故能大幅提升电池的安全性。

此外，全固态钠离子电池可以使用更加高效的高电压正极和钠金属负极，在这种情况之下固态电解质有助于阻止枝晶穿透，延长电池的使用寿命。

同时，这种电池还能通过叠层设计的方式，在有限空间内存储更多的能量，从而大大提高体积能量密度。

然而，全固态钠离子电池的发展也面临一些挑战。现有的无机固态电解质通常基于单一阴离子框架结构，导致现有电解质存在离子电导率低或界面稳定性差的问题，以至于制约了全固态钠离子电池性能的提升。基于此，该课题组的林晓婷博士以及合作者在孙学良院士的指导下开展了本次研究。

（来源：Nature Materials）

首先，他们把研究重点集中在固态电解质，这也是全固态钠离子电池的核心组件。

随后，该团队深入分析了现有无机固态电解质的优缺点，包括氧化物、硫化物、卤化物和硼氢化物。

据林晓婷介绍，每种材料都有自己的特点。比如：

氧化物电解质热稳定性好、工作电压窗口宽，但其刚性较大，通常需要在高温下烧结以降低电池中的界面阻抗；

硫化物电解质离子电导率高，但其空气稳定性和化学稳定性较差，且不适合与高压正极材料相搭配；

卤化物电解质虽然可塑性强，但室温下离子电导率不足；

硼氢化物电解质离子电导率高，但在氧化和热稳定性方面表现不佳。

为了解决这些挑战，课题组采用混合阴离子的策略来开发全新的电解质材料。这种策略的核心是利用化学科学和材料科学中的协同效应，即通过组合多种阴离子来取长补短，创造出性能比单一阴离子电解质更好的材料（1+1>2）。

与此同时，该团队的目标是让这种新型电解质材料不仅具备高离子电导率，还能在机械强度、化学和电化学稳定性上表现优异。

期间，在理论计算的指导之下，他们筛选出多种金属元素，考虑到不同阴离子的电化学特性和相互作用，于是课题组决定选择氧和氯作为主要的阴离子。

同时，他们尝试了固相法和熔融法等合成方法，最终合成了基于氧氯双阴离子的固态电解质。

但是此类双阴离子固态电解质具有非晶的结构特性，使得传统的晶体学方法如 X 射线衍射难以用于本次研究。

为了深入理解材料内部的结构和离子的移动方式，他们不得不探索新的实验技术和理论计算方法。

这些尝试虽然带来了大量数据和新的想法，但由于非晶材料结构的复杂性，课题组经常面临数据解析的难题。

期间，他们结合拉曼光谱、电化学阻抗、对分布函数分析、扩展 X 射线吸收精细结构分析和分子动力学模拟等技术，研究了上述材料的结构，并对其离子传导机制加以深入分析。

同时，该团队将这些材料用于组装全固态钠离子电池，并通过精细的电池设计和制造过程，构建了性能优异的电池模型。

林晓婷表示：“我们团队有一位经验丰富的博后，他不仅在技术上给予了巨大的帮助和支持，面对难题时还给我们提供了心理上的鼓励，帮助我们共同克服了所有困难。”

最终，他们观测到了材料的微观局部结构。并结合热重分析、原位纳米压痕和 X 射线计算机断层扫描等多种技术，从不同角度来深入解析材料的结构和性能之间的构效关系。

“正是这些实验与计算模拟的结合，帮助我们解开了材料微观结构的秘密。”林晓婷表示。

日前，相关论文以《双阴离子基钠超离子导体用于全固态钠离子电池》（A family of Dual Anion-Based Sodium Superionic Conductors for All-Solid-State Sodium-Ion Batteries）为题发在 Nature Materials。

林晓婷博士和同校的张淑敏博士、同济大学杨孟昊研究员是共同一作，孙学良院士担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

目前，该团队正在优化双阴离子钠基固态电解质的制造工艺，目标是降低成本并实现大规模生产。

同时，他们还致力于将电解质的室温离子电导率提升至 10⁻² S cm⁻¹，并进一步改善其电化学稳定性，确保电解质能在更广泛的温度条件和电化学条件下稳定工作。

其还将利用开发中的中试线，组装和测试软包电池，以及测试这些电池的实际性能和寿命，同时也会进行市场评估和成本效益分析。

不仅如此，他们还想探索这种双阴离子固态电解质在其他类型电池，比如在全固态钾离子电池和镁离子电池中的应用。

通过这些详细的计划和探索，课题组希望既能加深对于全固态电池技术的理解，还能推动其在全球能源存储领域的广泛应用，为全球能源转型贡献力量。

而对于林晓婷来说，本次成果也凝结了她的多年心血。从聊城大学、到宁波大学、再到加拿大西安大略大学，一路走来她都在“升级打怪”。如今，在加拿大西安大略大学获得博士学位之后，她选择继续留在这里研究全固态电池和固态电解质。

林晓婷强调：“我的导师孙学良院士不仅在学术上给予我指导，还支持我前往加拿大同步辐射光源进行先进的同步辐射学习和实验。这段经历不仅极大地提升了我的实验技能，也显著拓宽了我的科研视野。”

目前，她计划在即将结束的博后研究阶段之后，继续致力于固态电解质和全固态电池的研究，继续探索这一领域的科学问题。

参考资料：

1.Xiaoting Lin, Shumin Zhang, Menghao Yang, Biwei Xiao, Yang Zhao, Jing Luo, Jiamin Fu, Changhong Wang, Xiaona Li, Weihan Li, Feipeng Yang, Hui Duan, Jianwen Liang, Bolin Fu, Hamidreza Abdolvand, Jinghua Guo, Graham King & Xueliang Sun*, A family of dual-anion-based sodium superionic conductors for all-solid-state sodium-ion batteries. Nat. Mater. (2024).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02011-x

排版：溪树