南京大学周豪慎、何平JACS!!全固态钠氧电池实现化学集成与超长循环

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钠氧电池因其高理论能量密度和钠资源丰富、成本低廉的特点，被视为下一代储能技术的有力候选者。然而，传统液态钠氧电池面临电解液被超氧自由基分解、漏液及钠枝晶生长导致的安全隐患。全固态架构采用陶瓷电解质可规避这些问题，但固固界面接触差、阻抗高及力学失配等挑战严重限制了其发展。针对这些瓶颈，南京大学周豪慎和何平课题组在Journal of the American Chemical Society上发表研究，提出了一种基于整体式双层β-氧化铝陶瓷骨架的界面工程策略。该工作通过构建一体化多孔-致密结构，消除了电解质与阴极间的宏观物理边界，建立了无缝离子传导通道。同时，采用等离子体增强化学气相沉积技术在骨架上沉积保形石墨碳层，构建三维电子网络，并引入Bi2O3纳米片介导的反应润湿机制，在阳极侧形成梯度混合导电界面。这一设计从根源上改善了界面电荷转移效率，为全固态钠氧电池的性能提升提供了新思路。

研究团队通过精密制备工艺，成功构建了整体式多孔-致密β-氧化铝陶瓷骨架，其多孔部分作为阴极支撑框架，致密部分则充当固态电解质，实现了离子传导的连续性。在阴极侧，利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积了约30纳米厚的保形石墨碳层，该碳层均匀覆盖于多孔骨架内部，形成了高保真电子传导网络，显著扩展了三相边界区域，促进了氧气的有效扩散与放电产物的可逆形成与分解。阳极界面处理方面，通过在β-氧化铝表面烧结Bi2O3纳米片涂层，诱导了与金属钠的原位化学反应，生成Na-Bi-O混合导电界面相，有效改善了钠的润湿性，降低了界面阻抗。表征结果显示，碳层分布均匀且无孔隙阻塞，而Bi2O3转化后的界面相具备良好导电性与力学稳定性，从而确保了离子与电子的高效协同传输。

电化学测试表明，基于该界面工程的全固态钠氧电池在室温下实现了4012 mAh g⁻¹的高放电比容量，且在1000 mA g⁻¹高电流密度下仍保持优异性能。对称电池测试显示，改性后的电池在0.25 mA cm⁻²电流密度下稳定循环超过14000小时，远优于未改性体系。机理分析通过原位拉曼光谱和微分电化学质谱证实，固态环境下亚稳态NaO₂得以稳定存在，抑制了歧化副反应，保证了高度可逆的单电子氧化还原过程。此外，软包电池原型在实际应用中展现出596 Wh kg⁻¹的能量密度，验证了该设计的实用潜力。该研究不仅解决了全固态电池中的界面难题，还为高性能储能器件的开发提供了可推广的界面集成策略。