​​固态钠电池突破性进展:中国团队攻克枝晶难题,开启储能新时代​

​中国科学院团队设计三维多孔碳支撑超薄钠负极结构,攻克固态钠电池枝晶与界面难题,实现高性能电池突破,推动低成本、高安全储能技术发展 。

在全球能源转型的关键节点,电池技术的革新始终牵动着科研界的神经。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所的一项突破性成果引发了广泛关注——由研究员温兆银和吴相伟团队设计的​​三维多孔碳支撑超薄钠负极结构​​,成功破解了固态钠电池领域长期存在的枝晶生长与界面稳定性难题。这项成果不仅标志着固态钠电池向实用化迈出关键一步,更为高能量密度、长循环寿命储能设备的研发开辟了全新路径。

Featured Image

​固态钠电池的崛起:机遇与挑战并存​

在锂离子电池独霸市场多年后,钠离子电池因其​​资源丰富(钠储量是锂的1000倍以上)、成本低廉(钠价仅为锂的1/50)和高安全性(无热失控风险)​​等优势,逐渐成为新能源领域的“潜力股”。尤其是固态钠金属电池,因采用固态电解质替代传统液态电解液,理论上能彻底解决锂枝晶刺穿隔膜导致的安全隐患。然而,​​“高界面电阻”和“枝晶不可控生长”​​两大顽疾始终制约其发展。

具体而言,固态钠金属电池在工作时面临两大挑战:

  1. ​界面电阻过高​​:钠金属负极与固态电解质之间的固-固接触面积有限,导致电流传导效率低下;
  2. ​枝晶不可控生长​​:钠沉积不均匀,易形成尖锐枝晶,刺穿电解质并引发短路,大幅降低循环寿命与安全性。

此外,传统钠箔(厚度≥50μm)导致的​​高N/P比(负极/正极容量比)​​问题也进一步抬升了电池成本。如何通过材料设计与结构优化实现高效、稳定的钠金属负极,成为科研攻坚的核心命题。

​创新结构设计:三维多孔碳的“四重破解之道”​

针对上述问题,温兆银团队提出了一种​​三维多孔碳支撑超薄钠负极结构​​,其设计精妙之处体现在以下四个维度:

​1. 增强润湿性:破除固-固接触壁垒​

传统工艺中,熔融钠难以均匀铺展于固态电解质表面,导致局部电流密度过高。研究团队借助金属有机框架衍生的三维多孔碳(NCC)​​毛细作用​​,显著提升钠金属在电解质表面的润湿性。实验数据显示,该设计使钠金属与电解质的接触阻抗降低70%以上,电流传导效率大幅提升。

​2. 抑制枝晶:双功能钠化碳充当“离子泵”​

NCC层内部通过碳材料储能特性形成​​钠化碳复合结构​​。这类钠化碳不仅具备高离子扩散系数(达10⁻¹² m²/s量级),还展现出卓越的导电性(电导率>10³ S/m)。在电化学反应中,其独特的三维孔道网络如同高效的“离子泵”,主动引导钠离子均匀沉积,从根源抑制枝晶生成。循环测试表明,该结构下钠沉积形貌平滑致密,无尖锐枝晶形成。

​3. 减负降压:超薄钠负极降低体积膨胀​

传统钠箔因厚度大、机械强度低,循环过程中易因体积变化剧烈而粉化失效。团队将钠负极厚度缩减至10μm以下,并依托多孔碳骨架的支撑作用,大幅降低负极在充放电过程中的机械应力,循环稳定性显著增强。

​4. 高N/P比优化:解锁高能量密度潜能​

通过精准调控钠负极与正极的容量匹配,团队成功将电池N/P比降至1.05(传统体系N/P比≥2),突破了钠金属用量瓶颈。研究数据显示,即便在高面载量正极(17.3mg/cm² Na₃V₂(PO₄)₃)条件下,电池仍能保持​​97%的100次循环容量保持率​​,能量密度媲美商用锂电池。

​性能突破:数据验证的全球领先地位​

在对称电池测试中,该结构展现出惊人的循环寿命——以0.2mA/cm²电流密度运行时,可稳定循环 ​​6000小时​​(约合7.5个月),且未出现明显电压极化。更令人振奋的是,搭载磷酸钒钠(Na₃V₂(PO₄)₃)正极的固态钠金属电池,在10C倍率(充电仅需6分钟)下循环5100次后,容量保持率高达 ​​90.2%​​,大幅超越现有产业化锂电水平(磷酸铁锂电芯循环寿命通常在3000~5000次)。

此外,团队通过原位显微观测发现,钠负极表面形成稳定的自修复SEI(固体电解质界面)层,进一步提升了电池的抗滥用性能。这意味着即使在极端条件下(过充、短路),仍能保障安全性,为未来大规模储能应用铺设道路。

​产业启示:成本革命与储能生态重构​

此项研究的意义远不止于实验室指标提升,更蕴含着推动钠电产业化的现实价值:

  1. ​资源降本效应​​:超薄钠负极减少了金属损耗,叠加强化界面设计带来的高首效,使得钠电制造成本直逼铅酸电池,却拥有百倍以上的能量密度优势;
  2. ​场景适配性广​​:凭借快充(10分钟内充满)与长循环寿命特性,有望应用于低速电动车、电网级储能甚至便携式储能设备;
  3. ​技术迁移潜力​​:三维多孔碳支撑框架的核心思想可扩展至锂、钾等其他碱金属电池体系,形成跨代际储能技术矩阵。

值得注意的是,该成果已刊登于能源领域顶刊《Advanced Energy Materials》,被审稿人评价为“为钠金属电池从理论走向实用提供了清晰的工程蓝图”。

​未来展望:规模化生产的最后一公里​

尽管成果斐然,产业化之路仍存挑战。目前,金属有机框架前驱体的合成成本较高,规模化制备三维多孔碳的成本优化成为关键。团队透露,下一阶段将探索生物质基碳材料的替代方案,目标将碳支撑层成本降至现有锂电隔膜材料的水平。

与此同时,固态电解质的离子电导率(当前体系约10⁻³ S/cm)仍需进一步提升,以适配更高倍率的快充需求。值得期待的是,随着干法电极、固态电解质界面工程等技术的协同进步,固态钠电池的全链条成本有望在未来五年内下降60%以上,真正叩开大规模商用的大门。

​结语​
从润湿性改良到枝晶抑制,从界面调控到全电池性能突破,温兆银团队的研究完美诠释了中国科学家在新能源赛道的创新实力。固态钠电池的这一里程碑式进展,不仅为中国抢占下一代储能技术高地赢得先机,更以实际行动回应了全球碳中和背景下的能源转型需求。当枝晶不再成为桎梏,钠电的星辰大海已触手可及。

相关内容

奶粉企业的”催生经济学”:55亿补贴背后的生存博弈
“网约护士”困局:医疗资源下沉的最后一公里难题
​​国足梦碎世界杯背后的中国足球生态裂变:从”苏超狂欢”到职业体系的世纪困局​
权力与资本的幼稚病:当世界首富与美国总统上演”推特大战”
毛坦厂陪读妈妈:在高考工厂里寻找自我价值的12年
金民锡:一位”清华校友”的韩国政治突围之路
投稿