仅隔两天!又又又是固态电池!南京大学周豪慎,再发JACS!

2026年3月18日，南京大学周豪慎教授、何平教授在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Chemical Integration of Multiphase Interfaces in All-Solid-State Sodium-Oxygen Batteries via Monolithic Ceramic Scaffolds”的研究论文。该工作提出一种颠覆性的双界面一体化集成策略，通过构建具有多孔-致密双层结构的一体化β″-Al₂O₃陶瓷骨架，彻底消除了电解质与正极之间的宏观物理边界，从根源上解决了固态电池的界面难题。(值得注意的是，周豪慎教授团队于2026年3月16日，在《Journal of the American Chemical Society》上发表题为“Self-Adaptive Superionic Electrolytes via Multiple-Cation Modulation for All-Solid-State Lithium-Metal Batteries”的研究论文。固态电解质室温电导率超10 mS cm⁻¹！南京大学周豪慎，最新JACS)

研究团队首先通过共烧工艺制备了多孔-致密一体化β″-Al₂O₃陶瓷。致密层作为隔膜提供高离子电导率（室温下5.8×10⁻⁴ S cm⁻¹），而多孔层则作为正极的“离子高速公路”骨架。为解决正极导电性问题，团队利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在多孔骨架内壁精准沉积了一层仅30 nm厚的共形石墨化碳层。这一超薄碳网络构建了三维电子传导通路，同时保留了充足的孔隙用于氧气扩散和放电产物储存，将传统点对点接触的三相界面扩展为整个多孔骨架内的体相界面。

在负极侧，钠金属与陶瓷电解质的兼容性差是另一个急需解决的问题。研究团队创在陶瓷致密层表面引入Bi₂O₃纳米片中间层。当与熔融钠接触时，Bi₂O₃发生原位化学反应，生成由NaBi、Na₃Bi合金和Na₂O组成的梯度Na-Bi-O混合导电中间相。这一反应润湿过程将钠金属与陶瓷从物理贴合转变为化学融合，形成了原子级紧密接触的界面。XPS深度剖析证实该梯度界面层厚度约为1 μm，其混合导电特性有效均匀化了钠离子通量，消除了局部电流热点。

在对称电池测试中，改性后的Na|陶瓷|Na界面实现了超过14000小时的超稳定循环，临界电流密度从0.25 mA cm⁻²提升至0.95 mA cm⁻²。基于该一体化骨架的全固态钠-氧气电池，在室温下展现出高达4012 mAh g⁻¹（基于碳质量）的放电容量，并在1000 mAh g⁻¹的限定容量下稳定循环200圈，过电位低至0.5 V。即使在70°C高温下，电池在1000 mA g⁻¹的大电流密度下仍能释放4906 mAh g⁻¹的容量。团队还成功组装了小型软包电池，在环境空气中点亮了NJU的LED阵列，并实现了597 Wh kg⁻¹的实用化能量密度。

1、构建多孔-致密双层β″-Al₂O₃陶瓷骨架，消除固态电解质/正极宏观界面，构建体相三相反应区，从架构上解决固态界面难题。

2、利用Bi₂O₃与钠的原位反应形成梯度Na-Bi-O混合导电中间相，实现钠金属与陶瓷的化学融合，对称电池循环寿命突破14000小时。

3、全固态电池室温容量高达4012 mAh g⁻¹，稳定循环200圈，并成功驱动LED阵列，验证了实用化潜力。

图1 全固态钠-氧气电池界面工程示意图

图2 一体化双层β″-Al₂O₃电解质结构表征

图3 反应性Na-Bi-O中间相的表征与电化学稳定性

图4 全固态钠-氧气电池的电化学性能与实际应用

图5 全固态钠-氧气电池的机理分析

本研究提出并验证了一种通过一体化陶瓷骨架实现全固态钠-氧气电池双界面化学集成的创新策略。通过构建多孔-致密β″-Al₂O₃陶瓷，并分别以共形碳层和反应润湿的Na-Bi-O梯度中间相精准修饰正、负极界面，成功将传统固态电池中松散、高阻的物理接触转变为连续、低阻的化学融合。该设计不仅构建了体相三相反应区，释放了4012 mAh g⁻¹室温容量，更将钠负极界面稳定性提升至超过14000小时。原位谱学与质谱联用技术揭示了固态环境对NaO₂反应路径的独特稳定机制。这项工作为破解固态多相界面难题提供了普适性设计蓝图，为发展高安全、高比能固态金属-空气电池开辟了新路径。

文献链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c00021

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