钠电池为什么成为锂电池强有力的竞争者？钠电池的竞争力是什么？

钠电池通常能量密度较低，从而造成待机时间短、续航里程短等应用缺陷。但其成本低廉，在大型储能设备中（如电网）是锂电池的强有力竞争者。

采用陶瓷类固态电解质取代可燃性液态电解质，并采用高能量密度的钠金属作为负极有望大幅提升钠电池的能量密度。这为我们的日常储能需求提供了潜在的高比能、低成本的解决方案。近日，上海交通大学大密西根学院助理教授薄首行与美国工程院院士、加州大学伯克利分校DanielTellp杰出讲席教授GerbrandCeder合作，在国际顶级出版社Cellpress旗下能源材料旗舰学术期刊《Joule》杂志上发表其最新研究成果“Reactivity-guidedinterfacedesigninNametalsolid-statebatteries”，提出了全固态钠金属电池界面设计的新思路。在理论计算的指导下，论文作者进行反向界面设计（即先预测反应产物，而后以此为基础设计固态电解质组分），将固态电解质暴露于空气中，产生了对钠金属起保护作用的水合物表面修饰层。实验结果同时被同步辐射X射线深度剖析，电化学循环以及交流阻抗所佐证。

电池的安全性问题近年来受到了越来越多的关注。全固态电池也因此应运而生，是近年来电池领域最值得期待的研究方向之一。目前，领域内普遍意识到使用锂/钠金属作为负极是固态电池超越传统锂离子电池能量密度的必要条件之一。然而，锂/钠金属具有很强的化学活性，会与大多数固态电解质发生化学反应生成电子离子混合导体——这使得分解反应持续进行，直至电解质（或碱金属）全部消耗，大大降低电池能量利用效率。尽管人工镀层被不断开发以解决锂金属与氧化物固态电解质的浸润问题，这种以磁通溅射为基础的镀膜方法因较高成本以及严格的镀膜条件，很难拓展使用在其他类型的电解质（例如在离子导电率较高及加工过程便捷的硫化物固体电解质）或实现工业化生产。真正解决问题的关键是电解质可以自发的与金属负极发生有益的钝化反应，原位生成允许离子通过的绝缘性钝化膜（比如铝金属在空气中氧化生成Al2O3钝化层防止其腐蚀）。

鉴于此，研究者利用第一性原理计算，通过找到与金属负极化学性稳定的钝化层产物，逆向预测与金属负极发生有益钝化反应的固态电解质。通过这一方法，研究者发现Na3SbS4的钠离子固态电解质在暴露空气后大幅提高全固态钠电池的充放电性能。这是由于空气暴露后在Na3SbS4的表面生成了一层水合物保护层，其与钠金属反应后产生包含NaH、Na2O等只允许钠离子传导的反应钝化层（示意图见图1）。这一结论被密度泛函理论计算以及同步辐射X射线深度剖析共同证实。这一研究成果证明，适度的空气暴露反而会提高钠金属与固态电解质的界面稳定性。这一发现打破了空气及水环境对电池有害的传统认知，为全固态钠电池的钠金属-固态电解质的界面设计提供了全新的思路。

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在这项研究中，研究者通过传统的固态合成方法制备得到高离子导率的纯相Na3SbS4，而后对Na3SbS4和暴露于空气中的Na3SbS4进行对比研究。从Na/Na3SbS4/Na固态对称电池的电化学循化曲线可以看出，循环过电势对时间不断增加（图2a），表明Na3SbS4与钠金属界面不稳定。在循环后取出界面层，研究者通过X射线衍射发现Na2S等Na3SbS4分解产物，这与理论计算以及文献结果相同:钠金属与Na3SbS4被预测反应产生Na2S和Na3Sb（见反应1），其中Na3Sb具有很强的金属性，其电子通道是持续不断的界面反应的主要原因。要想提高Na3SbS4对钠金属的循环稳定性必定要在钠金属与Na3SbS4之间引入隔离层。