材料学院卢侠Chem. Eng. J.：秒级烧结固态电解质助力长循环固态电池

钠离子电池（SIBs）由于利用丰富且成本低廉的钠资源，有望用于大规模储能和国家电网应用。使用无机固态电解质构筑的固态 SIBs 因为直接金属钠负极可以提供高能量密度和长循环稳定性。在众多的Na快离子导体中，NASICON 型Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ (NZSPO)因其在室温下超过 10^-4 S cm^-1 的高离子电导率，对空气/水分更稳定而备受关注。目前，在SSE制备的许多方面仍然存在挑战，包括长时间烧结和高温处理（> 1100 ℃）以尽量减少气孔、晶界对离子电导率的影响。事实上，陶瓷材料的长时间加工和高烧结温度（>1100 ℃）往往存在明显的缺点，包括轻元素（Na、Li、P）的损失、杂质的形成、与有机材料的不相容性和高成本等弊端。在这种情况下，为了提高实用性和降低成本，非常需要快速和新颖的烧结技术来制备固态电解质，而不会影响其电化学/化学性能。

近日，威廉希尔WilliamHill官方网站料学院博士生姜鹏峰在卢侠教授指导下，利用超快高温烧结方法 (Ultrafast high-temperature sintering, UHS) ，经过1 min加热，成功制备了离子电导率为2.62 ×10^-4 S cm^-1, 活化能0.28 eV, 相对密度为93%的NZSPO固态电解质（US-NZSPO）。进一步，FIB-STEM测试结果显示了该材料具有晶界环绕一个空隙相连的典型陶瓷微观结构，在超快烧结样品的微观结构中没有发现明显微裂纹的迹象，在晶界处或晶粒内没有明显的元素偏析。上述结果表明UHS方法对消除杂质相和生产具有极薄晶界的固态电解质具有很大潜力。

图1. UHS制备NZSPO流程示意图及烧结装置实物图。

       然后，构筑的Na₃V₂(PO₄)₃|US-NZSPO | Na固态电池，在2.0 - 4.0 V电压范围内首周循环容量达到了109.6 mAh g^-1，对应于库仑效率为93.7%。在正极负载约为 2 mg cm^-2, 850次循环后，放电容量为84.4 mAh g^-1，容量保持率为82%，库仑效率超过99.3%；将正极负载提升到4.5 mg cm^-2，固态电池的可逆容量为 86.3 mAh g^-1，在 0.2 C 下 800 次循环后容量保持率为 89%。

图2.固态钠电池电化学性能。

  此外，还详细讨论了US-NZSPO在参与电化学过程前后表面的成分演化，阐述其对钠金属界面相容性对于构筑具有长循环寿命固态电池的重要性。上述成果以 “Ultrafast Sintering of Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ Solid Electrolyte for Long Lifespan Solid-State Sodium Ion Batteries”为题发表在期刊Chemical Engineering Journal, 2022, 138771（IF = 16.744；链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138771）。 该工作第一作者为博士生姜鹏峰，通讯作者为卢侠教授。该工作得到了科技部重点研发计划、基金委面上项目、广东省基础与应用基础研究基金区域联合重点项目以及中山大学百人计划等支持。