杜菲/唐明学/陆子恒Nature子刊：电化学诱导硅酸钐钠固体电解质中结晶-非晶化转变实现长效钠金属电池

开发具有高离子导电性、良好界面相容性和与电极共形接触的固体电解质（SE）材料对于固态钠金属电池（SSBs）至关重要。

在此，吉林大学杜菲和北京高压科学研究中心唐明学、剑桥大学陆子恒等人通过两步固相反应成功合成了一种新型三方棱柱状晶体Na₅SmSi₄O₁₂电解质，其具有高室温离子电导率2.9 × 10⁻³ S cm⁻¹和0.15 eV的低活化能。具有Na₅SmSi₄O₁₂的全固态对称电池在0.15 mA  h cm⁻²下具有超过800 h的优异循环寿命 ，和1.4 mA  h cm⁻²的高临界电流密度 。

这种优异的电化学性能归因于钠的重复沉积和剥离过程中，电化学诱导的原位结晶到非晶（CTA）转变从界面传播到本体，这导致更快的离子传输和优异的界面性能。

图1. 固态电池的电化学性能

具体而言，在晶格微观应变的驱动下，Na₅SmSi₄O₁₂在Na|Na₅SmSi₄O₁₂|Na和Li|Na₅SmSi₄O₁₂|Li对称电池循环过程中经历非晶态转变。一方面，接触面积的增加大大降低了钠金属与电解质之间的界面电阻，促进钠的均匀沉积。另一方面，非晶态Na₅SmSi₄O₁₂表现出各向同性离子传输特性，有效消除了阻挡离子晶体取向。

这一特性促进了负极界面上电流的均匀分布和均匀的金属成核，进一步提高了固态钠金属电池的整体性能。因此，钠对称电池在0.15 mA cm⁻²@1 h下表现出800 h的稳定循环性能，在 0.05 mA cm⁻²@5 h (25 °C) 下表现出500 h的稳定循环性能。此外，组装的Na|Na₅SmSi4O₁₂|Na₃V₂(PO₄)₃准固态钠电池展现出优异的电化学性能，进一步证明了Na₅SmSi₄O₁₂电解质的实用性。

图2. 非晶块体材料和界面的优越性

Electrochemically induced crystalline-to-amorphization transformation in sodium samarium silicate solid electrolyte for long-lasting sodium metal batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42308-