近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所取得了一項突破性進(jìn)展，為固態(tài)鈉電池技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。該研究團(tuán)隊設(shè)計了一種創(chuàng)新的三維多孔碳支撐超薄鈉負(fù)極結(jié)構(gòu)，顯著提升了鈉離子電池的性能。

這項研究成果在《先進(jìn)能源材料》期刊上發(fā)表，題為《面向快速充電及高N/P比固態(tài)鈉金屬電池的鈉離子泵增強(qiáng)型復(fù)合鈉負(fù)極》。研究指出，固態(tài)鈉電池以其資源豐富、安全性高及比能量高等優(yōu)勢，被視為極具潛力的新型儲能技術(shù)。然而，實際應(yīng)用中，固態(tài)鈉電池仍面臨諸多技術(shù)瓶頸。

具體而言，鈉金屬負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)之間的固-固接觸導(dǎo)致了高界面電阻和鈉枝晶的形成，這不僅降低了鈉的利用率，還嚴(yán)重影響了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。商業(yè)化的鈉箔厚度普遍超過50μm，較高的N/P比限制了額外容量的提供，從而降低了電池的比能量。

為了克服這些挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的溫兆銀和吳相偉團(tuán)隊開發(fā)了一種新型的三維多孔碳支撐超薄鈉負(fù)極結(jié)構(gòu)。他們在NASICON型電解質(zhì)表面構(gòu)建了一層由金屬有機(jī)框架ZIF-8/ZIF-67衍生的三維多孔碳支撐層（NCC），作為界面修飾層。這一設(shè)計巧妙地利用了孔道的毛細(xì)作用，改善了熔融鈉在固體電解質(zhì)表面的潤濕特性，并通過調(diào)整NCC的厚度來控制金屬鈉電極的厚度。

研究團(tuán)隊還利用碳材料的儲能特性，在界面層中形成了具有高離子擴(kuò)散系數(shù)和良好導(dǎo)電性的鈉化碳。這種鈉化碳在電化學(xué)反應(yīng)過程中充當(dāng)了鈉離子泵的角色，形成了三維的離子/電子混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)賦予了鈉負(fù)極快速的離子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，有效緩解了局部電荷積累，實現(xiàn)了無枝晶的鈉沉積。

實驗結(jié)果顯示，這種新型鈉負(fù)極結(jié)構(gòu)在對稱電池中實現(xiàn)了3.5mA cm?2的高臨界電流密度，并在0.2mA cm?2的電流密度下展現(xiàn)了6000小時的長循環(huán)壽命。匹配Na3V2(PO4)3正極的全電池在10C倍率下經(jīng)歷5100次循環(huán)后，仍保持了90.2%的高容量。尤為使用有限鈉金屬負(fù)極與高面載量（17.3mg cm?2）的Na3V2(PO4)3正極組裝的固態(tài)鈉電池，在N/P比低至1.05的條件下，循環(huán)100次后的容量保持率依然高達(dá)97%。

這一研究成果為設(shè)計實用化、高能量密度和長循環(huán)壽命的固態(tài)鈉金屬電池奠定了堅實的基礎(chǔ)，有望推動固態(tài)鈉電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為新能源領(lǐng)域帶來新的突破。