6. 有機電解質

相比于無機固態(tài)電解質，有機固態(tài)電解質具有良好的柔性、低的界面阻抗、以及易于制備等優(yōu)點。有機固態(tài)電解質主要由有機聚合物基體與溶解在其中的鹽組成，除此之外可能還包含一些增塑劑。最常見的基體有：聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮等。在有機聚合物基體中加入一定含量的增塑劑有利于提升有機固態(tài)電解質的離子電導率，無機填料的加入也有助于提升其離子遷移數(shù)。

圖6. 有機聚合物電解質

在這個部分，系統(tǒng)討論了不同類型的鈉離子固態(tài)電解質的最新進展。為了比較不同類型的固態(tài)電解質，作者總結了一些具有代表性的鈉離子固態(tài)電解質的離子電導率隨溫度的變化關系。

圖7. 各類典型電解質的離子電導率和溫度的關系

界面工程

1. 負極/電解質界面

為確保電池的正常運行，穩(wěn)定的負極與電解質界面至關重要。Beta氧化鋁電解質、NASICON電解質、復合氫化物電解質、有機電解質大體都可與鈉金屬負極形成穩(wěn)定的界面。然而，大部分硫化物電解質對金屬鈉不穩(wěn)定，例如Na3PS4與金屬鈉接觸會分解產生Na-2S和Na3P，從而導致電池性能的衰減。硫化物對金屬鈉的穩(wěn)定性可通過元素取代來進行改善，例如使用Sb5+全部取代P5+獲得的Na3SbS4對鈉金屬具有良好的穩(wěn)定性。

圖8. 負極/電解質界面問題

2. 正極/電解質界面

正極/電解質的化學穩(wěn)定性以及界面接觸是構筑高性能全固態(tài)鈉電池的關鍵。其中正極材料化學穩(wěn)定性決定了其是否可用于全固態(tài)鈉電池。除此之外，電解質與充放電中間產物之間的化學兼容性也應著重考慮。相比于化學穩(wěn)定性，更多的研究集中于如何增加正極與電解質之間的界面接觸。改善界面接觸最常見的方法有：與活性材料混合、在界面處添加潤滑劑、電解質原位包覆正極，原位合成電解質正極復合材料等。

圖9. 正極/電解質界面問題

為更好的理解固態(tài)鈉電池這個領域，作者總結了提升固態(tài)鈉離子電解質性能：包括離子電導率、遷移數(shù)、化學/電化學穩(wěn)定性、機械性能和界面問題(界面接觸和化學兼容性)的常用策略。除此之外，還總結了具有代表性的不同類型的固態(tài)電解質的主要性能、優(yōu)點及不足。值得注意的是，因為優(yōu)化后的固態(tài)電解質的離子電導率一般都能滿足應用的要求(10-3 S cm-1)，所以目前電極/電解質界面是固態(tài)鈉電池中最主要的問題。從界面這個角度來講，相比于其他固態(tài)電解質，硫化物和聚合物電解質具有更大的應用前景，因此如何提升硫化物的化學/電化學穩(wěn)定性和聚合物的室溫離子電導率至關重要。

圖10. 提升電解質和界面性能的措施總結

總結與展望

1.固態(tài)鈉電池的挑戰(zhàn)

(1)NASICON電解質苛刻的合成條件;

(2)硫化物電解質較差的化學/電化學穩(wěn)定性;

(3)復合氫化物電解質較差的電化學穩(wěn)定性;

(4)聚合物電解質較低的室溫離子電導率;

(5)電極/電解質之間的界面問題(界面接觸和化學兼容性)。

2. 電解質和界面的基本設計原則

(1)增加可移動的鈉離子密度、減小鈉離子擴散能壘來提高離子電導率;

(2)固定陰離子提升聚合物電解質的離子遷移數(shù);

(3)調整鍵的強度提升電解質的化學穩(wěn)定性;

(4)加入緩沖層改善界面穩(wěn)定性;

(5)增大固態(tài)電解質與電極之間的接觸面積;

(6)避免使用有毒或價格昂貴的原料。

3. 固態(tài)電解質未來的研究方向

(1)基本設計原則與理論計算相結合來設計高性能固態(tài)電解質;

(2)實驗研究優(yōu)化固態(tài)電解質的性能和界面;

(3)利用更多先進的原位表征技術(如XRD，XPS，XAS和TEM等)研究固態(tài)鈉電池中的電解質和界面問題;

(4)開發(fā)簡單廉價的制備方法來實現(xiàn)高性能固態(tài)電解質的規(guī)模化生產。

電池研究已邁進全固態(tài)時代，蘊藏著巨大的機遇和挑戰(zhàn)!