北京
全固态钠电池凭借高安全性、低成本及高能量密度等优势，被视为下一代大规模储能系统的重要发展方向。固体电解质作为其核心组件，直接决定了电池的离子传输动力学、固-固界面相容性及整体电化学性能。然而，传统晶态无机固体电解质受限于刚性晶格结构，不仅室温离子电导率偏低，且难以与电极形成紧密接触，这导致电池运行往往依赖50–100 MPa的高外部堆叠压力，严重阻碍了其从实验室走向实际应用。
针对上述瓶颈，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心钠离子电池研究团队于2023年在《Nature Energy》上报道了一种兼具无机陶瓷高离子电导率与有机聚合物柔性的铝基黏弹性无机玻璃固体电解质。尽管铝基玻璃态电解质已初步验证了无外压运行的可行性，但现有体系受限于单一氧源掺杂策略，不仅离子电导率提升空间有限，且产物多因非晶化不完全而呈现刚性粉末特征，难以适应电极体积变化并维持稳定界面。同时，单一氧前驱体难以构筑连续贯通的Al–O–Al桥连网络，致使高离子电导与机械柔性难以协同实现。此外，由于不同含氧前驱体与AlCl₃的低温反应活性差异显著，且缺乏统一的热力学筛选判据，高性能黏弹性铝基电解质的理性设计与开发仍面临巨大挑战。
近日，该研究团队创新性地引入“脱氧焓”作为热力学描述符，提出了“盐-氧”与“金属/非金属氧化物-氧”双含氧前驱体协同设计策略。通过计算分析发现，单一氧源（NaClO或SeO₂）均存在显著局限；而将低脱氧焓的NaClO与中等脱氧焓的SeO₂协同使用，经300–400 ℃低温快速烧结，可成功制备出新型NACDO（0.6NaClO–AlCl₃–0.175SeO₂）固体电解质。该材料有效抑制了NaCl、NaAlCl₄等晶态杂质生成，呈现优异的光学透明性与室温黏弹性（图），室温Na⁺电导率达2.03 mS·cm⁻¹，迁移数为0.87，活化能低至0.17 eV。多尺度表征与AIMD模拟证实，双氧源协同引入了大量桥连氧，连接孤立AlCl₄⁻单元形成多聚铝氧氯阴离子链段，构建了均匀无序的三维骨架，从而大幅拓宽Na⁺传输通道。基于该电解质组装的全固态钠电池（匹配未包覆NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2正极），在0.3 C下循环480圈容量保持率超80%，1200圈后仍保留50%初始容量，且热安全性显著优于液态体系。本工作建立了基于脱氧焓的前驱体筛选准则，在铝基体系中同步实现了高离子电导率、机械形变能力与界面适配性，为卤化物固体电解质的理性设计及向铟、钽基等体系的拓展奠定了基础。
图. 新型NACDO黏弹性固体电解质的设计策略与性能表征。a. NACDO电解质的光学透明性与黏弹性实物展示。b. 钠离子铝基卤化物固体电解质室温离子电导率对比。c. 双含氧前驱体协同反应机理示意图；结合实验表征与计算模拟证实，生成的网络结构具有短程局域有序特征。d. 基于脱氧焓概念的不同含氧前驱体热力学描述符排序，为高效前驱体筛选提供量化依据。
相关研究成果以“Dual oxygen precursors boosting the ionic conductivity of glassy electrolytes for all-solid-state sodium batteries”为题发表在《Advanced Materials》。中国科学院物理研究所博士生唐立昊和中国科学院过程工程研究所蒋礼威项目研究员为论文共同第一作者，中国科学院物理研究所陆雅翔研究员为论文通讯作者。
该研究得到了北京市自然科学基金青年基金重点项目（项目编号：JQ25009）、中央科技委抢占科技制高点专项（项目编号：LDES15 0000）、国家自然科学基金（项目编号：52394170–52394174、52521001）等支持。
编辑：辣条
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