背景介紹：
全固態鈉電池採用固體電解質代替傳統的基於有機溶劑的電解液，且其負極為儲量豐富的金屬鈉，因此其有望取代鋰/鈉離子電池成為下一代低成本，高安全性電池儲能技術。目前，基於氧化物固態電解質的全固態鈉電池中，電解質與電極之間的界面阻抗大。而硫化物電解質具有電導率高，通過冷壓的方式可減小界面阻抗的優點。但已報道的基於硫化物電解質的全固態鈉電池的性能仍然不盡如意，主要由於電極材料與固體電解質之間的固-固界面有效接觸弱。基於課題組之前的研究基礎，本文從調控電解質的電導率、顆粒尺寸及正極層設計出發，改善室溫全固態鈉電池的性能。
研究思路：
液相法制備的Na3PS4電導率較低，通過Se摻雜，能增大離子傳輸通道，提高電解質的室溫離子電導率，且所得到的電解質的顆粒尺寸能進一步降低，有利於增加電解質層/正極層的物理接觸。 進一步地從正極層設計出發，選擇與硫化物電解質相容性好的過渡金屬硫化物Fe1-xS作為正極活性物質，並在其表面原位生長硫化物電解質得到殼核結構[email protected]納米棒，有效提升正極層中的固-固界面接觸，使基於液相法制備的Na2.9PS3.95Se0.05電解質的室溫全固態鈉電池的性能獲得有效提升。
圖文解析：
圖1：Na2.9PS3.95Se0.05電解質的SEM及EDX圖
要點：液相法制備的Na2.9PS3.95Se0.05電解質的顆粒尺寸降低至500nm。
圖2：(a) [email protected]納米棒的合成示意圖，(b) Fe1-xS和(c) [email protected]的SEM圖，[email protected]的(d) TEM，(e) HRTEM 及(f) STEM圖
要點：SEM，TEM及STEM及顯示所製備的Na2.9PS3.95Se0.05電解質包覆在Fe1-xS納米棒表面形成殼核結構[email protected]納米棒。
圖3：[email protected]納米棒在全固態鈉電池中的電化學性能圖
要點：將所製備的電解質及複合電極材料應用於全固態鈉電池中，在20mA g-1電流密度下，電池能量密度可達910.6Wh kg-1；在200mA g-1電流密度下，功率密度可達201.6Wh kg-1；在100 mA g-1電流密度下循環100圈後，其容量保持在494.3 mAh g-1。
圖4：Fe1-xS在全固態鈉電池中不同充放電狀態的非原位XRD圖
要點：該性能在所報道的全固態鈉電池中的性能最優異。此外，通過非原位XRD手段探討了Fe1-xS在全固態鈉電池中的反應機理，結果表明：其在全固態鈉電池中會發生部分可逆反應，該機理完全不同於該材料在液態鈉離子電池的反應機理。
後續研究工作：
在之前的研究基礎上，進一步調控顆粒尺寸（降至200 nm），可以進一步改善固-固界面，提高電池性能。
圖文解析：
圖1：Na3PS4電解質的SEM，EDX圖及電導率，活化能曲線
要點：繼續採用液相法制備Na3PS4電解質，並使其尺寸降低至200nm左右，但其電導率相較於固相法制備的電解質有所降低，為8.44×10-5 S cm-1。
圖2：電池結構示意圖及電化學性能圖
要點：將液相法，固相法制備的電解質應用於全固態鈉電池中，結果表明：基於液相法制備的納米尺寸的電解質的電池性能遠優於基於固相法制備的電解質的電池性能。在20mA g-1電流密度下，首次放電容量達437mAh g-1，首次庫倫效率達95%。在60mA g-1電流密度下循環100圈後，可逆容量為287mAh g-1，容量保持率為80%。
姚霞銀研究員
http://energy.nimte.cas.cn/team/researcher/201408/t20140819_252106.html
研究員，博士生導師，中科院青年促進會會員，寧波市領軍拔尖人才。2009年畢業於中國科學院固體物理研究所，獲工學博士學位；2009年至今在中科院寧波材料所工作，歷任助理研究員、副研究員、研究員，期間於2012年至2014年先後在韓國漢陽大學、新加坡南洋理工大學訪問，主要從事全固態鋰電池固體電解質和匹配性電極材料的研究工作。迄今為止，與合作者一起在Nano Letters、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Energy Storage Materials、Chemical Communications、Carbon、Electrochemistry Communications、Journal of Power Sources、Electrochimica Acta、Polymer等材料及新能源領域國際核心期刊上（合作）發表論文60餘篇，被引用1000餘次；參與撰寫“新能源材料科學與應用技術”（科學出版社）中的“無機固體電解質材料及全固態鋰電池”章節；（合作）申請中國發明專利15項，其中授權9項，國際專利2項；主持國家自然科學基金青年基金等項目，並作為核心成員參與了中科院戰略先導專項、973、863、中國科學院重點部署項目、浙江省重點科技創新團隊等項目的研究工作。
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