近年來，加拿大西安大略大學孫學良院士團隊一直致力於全固態電池技術的研究，並在此領域取得了多項突破，尤其是在鋰基鹵化物固態電解質的研究方向上做出了較多貢獻。
這幾年，考慮到鋰資源的緊缺以及當前能源市場的需求，他們將研究方向進一步擴充套件到全固態鈉電池領域。
近日，該課題組在能量轉換材料上透過使用雙陰離子框架結構，開發出一類新型的雙陰離子基鈉超離子導體（Na2O2-MCly; M = Hf, Zr, Ta）。
由於同時引入了氧離子和氯離子，這使得此類材料突破了傳統單一陰離子框架固態電解質的侷限。
在提高離子電導率的同時，還能改善電解質與正極的介面相容性，從而能夠顯著增強全固態鈉離子電池的整體效能和迴圈穩定性。
雙陰離子框架結構在促進鈉離子快速傳輸上也展現出了廣泛的適用性。
這種普適性使得雙陰離子框架結構在與多種金屬元素（如 Hf、Zr、Ta）搭配時，可以形成具有不同效能優勢的電解質材料，從而為定製適用於不同應用場景的電池技術提供可能。
同時，這款全固態鈉離子電池兼具高安全性、高能量密度、高經濟效益以及環保特性，預計將在多個關鍵領域得到應用。
在電動汽車領域，全固態鈉離子電池能夠顯著增加單次充電的續航里程，從而可以減少充電次數，提高使用者的駕駛體驗。由於這種電池採用固態組成的方式，故能避免液態電解液洩漏的風險，從而極大降低發生火災或爆炸的可能性。
在大規模能源儲存系統領域，全固態鈉離子電池非常適合用於儲存風能、太陽能等可再生能源的電力。由於這些能源的輸出通常存在間歇性和不穩定性，所以需要一種能夠高效儲存電能並能迅速提供電力的電池系統。而全固態鈉離子電池可以在發電量過剩時儲存多餘的電能，並能在發電不足時釋放出來，從而幫助電網維持穩定的供電，確保能源的可靠供應。
在軍事和航空航天領域，全固態鈉離子電池能夠在極端環境下提供穩定的能量供應。其結構穩定且無液態成分的特性，使得這種電池能夠有效應對極端溫度和機械撞擊。因此，全固態鈉離子電池也非常適合用於海洋資源探索等對耐用性要求較高的場景。
該團隊表示，在應對全球氣候變化和實現碳中和目標的大背景下，開發新型能源技術至關重要。
全固態鈉離子電池是一種富有前景的新型綠色能源技術。除了比較環保之外，相比鋰離子電池鈉不僅資源更加豐富，成本則更加低廉，這讓它成為了一個很好的替代性選擇。
相比傳統的液態電池，全固態鈉離子電池使用的是固態電解質，它不會像有機液態電解液那樣容易洩露或容易著火，故能大幅提升電池的安全性。
此外，全固態鈉離子電池可以使用更加高效的高電壓正極和鈉金屬負極，在這種情況之下固態電解質有助於阻止枝晶穿透，延長電池的使用壽命。
同時，這種電池還能透過疊層設計的方式，在有限空間記憶體儲更多的能量，從而大大提高體積能量密度。
然而，全固態鈉離子電池的發展也面臨一些挑戰。現有的無機固態電解質通常基於單一陰離子框架結構，導致現有電解質存在離子電導率低或介面穩定性差的問題，以至於制約了全固態鈉離子電池效能的提升。基於此，該課題組的林曉婷博士以及合作者在孫學良院士的指導下開展了本次研究。
首先，他們把研究重點集中在固態電解質，這也是全固態鈉離子電池的核心元件。
隨後，該團隊深入分析了現有無機固態電解質的優缺點，包括氧化物、硫化物、鹵化物和硼氫化物。
據林曉婷介紹，每種材料都有自己的特點。比如：
氧化物電解質熱穩定性好、工作電壓視窗寬，但其剛性較大，通常需要在高溫下燒結以降低電池中的介面阻抗；
硫化物電解質離子電導率高，但其空氣穩定性和化學穩定性較差，且不適合與高壓正極材料相搭配；
鹵化物電解質雖然可塑性強，但室溫下離子電導率不足；
硼氫化物電解質離子電導率高，但在氧化和熱穩定性方面表現不佳。
為了解決這些挑戰，課題組採用混合陰離子的策略來開發全新的電解質材料。這種策略的核心是利用化學科學和材料科學中的協同效應，即透過組合多種陰離子來取長補短，創造出效能比單一陰離子電解質更好的材料（1+1>2）。
與此同時，該團隊的目標是讓這種新型電解質材料不僅具備高離子電導率，還能在機械強度、化學和電化學穩定性上表現優異。
期間，在理論計算的指導之下，他們篩選出多種金屬元素，考慮到不同陰離子的電化學特性和相互作用，於是課題組決定選擇氧和氯作為主要的陰離子。
同時，他們嘗試了固相法和熔融法等合成方法，最終合成了基於氧氯雙陰離子的固態電解質。
但是此類雙陰離子固態電解質具有非晶的結構特性，使得傳統的晶體學方法如 X 射線衍射難以用於本次研究。
為了深入理解材料內部的結構和離子的移動方式，他們不得不探索新的實驗技術和理論計算方法。
這些嘗試雖然帶來了大量資料和新的想法，但由於非晶材料結構的複雜性，課題組經常面臨資料解析的難題。
期間，他們結合拉曼光譜、電化學阻抗、對分佈函式分析、擴充套件 X 射線吸收精細結構分析和分子動力學模擬等技術，研究了上述材料的結構，並對其離子傳導機制加以深入分析。
同時，該團隊將這些材料用於組裝全固態鈉離子電池，並透過精細的電池設計和製造過程，構建了效能優異的電池模型。
林曉婷表示：“我們團隊有一位經驗豐富的博後，他不僅在技術上給予了巨大的幫助和支援，面對難題時還給我們提供了心理上的鼓勵，幫助我們共同克服了所有困難。”
最終，他們觀測到了材料的微觀區域性結構。並結合熱重分析、原位奈米壓痕和 X 射線計算機斷層掃描等多種技術，從不同角度來深入解析材料的結構和效能之間的構效關係。
“正是這些實驗與計算模擬的結合，幫助我們解開了材料微觀結構的秘密。”林曉婷表示。
日前，相關論文以《雙陰離子基鈉超離子導體用於全固態鈉離子電池》（A family of Dual Anion-Based Sodium Superionic Conductors for All-Solid-State Sodium-Ion Batteries）為題發在Nature Materials。
林曉婷博士和同校的張淑敏博士、同濟大學楊孟昊研究員是共同一作，孫學良院士擔任通訊作者。
目前，該團隊正在最佳化雙陰離子鈉基固態電解質的製造工藝，目標是降低成本並實現大規模生產。
同時，他們還致力於將電解質的室溫離子電導率提升至 10⁻² S cm⁻¹，並進一步改善其電化學穩定性，確保電解質能在更廣泛的溫度條件和電化學條件下穩定工作。
其還將利用開發中的中試線，組裝和測試軟包電池，以及測試這些電池的實際效能和壽命，同時也會進行市場評估和成本效益分析。
不僅如此，他們還想探索這種雙陰離子固態電解質在其他型別電池，比如在全固態鉀離子電池和鎂離子電池中的應用。
透過這些詳細的計劃和探索，課題組希望既能加深對於全固態電池技術的理解，還能推動其在全球能源儲存領域的廣泛應用，為全球能源轉型貢獻力量。
而對於林曉婷來說，本次成果也凝結了她的多年心血。從聊城大學、到寧波大學、再到加拿大西安大略大學，一路走來她都在“升級打怪”。如今，在加拿大西安大略大學獲得博士學位之後，她選擇繼續留在這裡研究全固態電池和固態電解質。
林曉婷強調：“我的導師孫學良院士不僅在學術上給予我指導，還支援我前往加拿大同步輻射光源進行先進的同步輻射學習和實驗。這段經歷不僅極大地提升了我的實驗技能，也顯著拓寬了我的科研視野。”
目前，她計劃在即將結束的博後研究階段之後，繼續致力於固態電解質和全固態電池的研究，繼續探索這一領域的科學問題。
參考資料：
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：溪樹
