【會議報告】NASICON結構固態電解質研究進展

固態鈉離子電解質主要包括硫化物、氧化物[Na-β"-Al₂O₃、鈉超離子導體（NASICON）、鋰超離子導體（LISICON）、鈣鈦礦、反鈣鈦礦和石榴石]兩大類。其中，NASICON材料憑借穩定的晶體結構、高的離子電導率、對水和空氣的穩定性、對Na金屬的界面穩定性、易于合成、能量密度高和穩定的化學性能等優點而受到廣泛關注。

NASICON第一次于1976年被Goodenough和Hong報道，是最早被發現并深入研究的離子導體之一。其化學通式為Na_xM₂（AO₄）₃，其中M為過渡族或主族金屬，AO₄為聚陰離子，是一個膨大的體系。

NASICON結構中MO₆八面體和AO₄四面體通過共享角氧原子形成了有利于離子快速擴散的三維傳輸通道，具有高離子電導能力，同時由于化學和電化學穩定性好，成為良好的固態電解質材料。但是，NASICON結構鋰離子固態電解質并不多見，Li_1.4Al_0.4Ti_1.6（PO₄）₃（LATP）是目前正在實用化的NASICON結構鋰離子固態電解質。

最近上海交通大學湯衛平教授課題組通過Li⁺/Na⁺離子交換方法得到了Li₃Zr₂Si₂PO₁₂（NZSP）固態電解質材料，這個材料除了3.59mS的離子電導率外，還具有良好的物理化學和電化學穩定性。研制的高固NZSP含量NZSP/PVDF復合固態電解質薄膜、及其固態電池也顯示了良好的性能，并且該材料的實用化驗證正在進一步展開。

NZSP固態電解質具有安全性好、適用溫度高等諸多優點，其電導率的高低受到載流子濃度、載流子遷移率、品界濃度和雜質相的影響。在NZSP電解質中，Na元素易在高溫下揮發，從而降低了電解質中Na的濃度，因此在燒結過程中應添加過量的Na原料；另外，晶界濃度過高會增大Na遷移時的阻力；而雜質相ZrO₂本身絕緣，雜質相的存在會極大地降低電解質材料的離子電導率。

提高NZSP固態電解質離子電導率有合成工藝改進、元素摻雜、界面優化三種途徑。

1、合成工藝改進

NZSP固態電解質的離子電導率取決于合成和加工條件，即粉末性質、成型參數、燒結時間和燒結溫度。改善樣品純度、提高鈉離子濃度、控制晶體結構的轉變和優化燒結方法等是提高離子電導率的可行途徑。

2、元素摻雜

元素摻雜的目的是為了增大Na⁺通道、降低孔隙率和Na⁺躍遷所需的活化能。據相關報道，Nb、Ta、V等元素可以降低活化能，Y、A1等元素可以降低孔隙率。摻雜過程中所選的摻雜元素應具備兩個條件：離子半徑相當、不能產生第二相。

3、界面優化

固態鈉電池中的界面問題主要存在于電解質片與電極之間。相較于電解液與電極之間的固相、液相軟接觸，固態電池的電解質與電極之間的剛性接觸造成了固態電池的離子電導率低。硫化物電解質質地比氧化物電解質柔軟，與電極間有良好的接觸性，這也為界面優化提供了參考。目前針對這個問題的解決思路包括對電極材料表面進行修飾處理、電極材料納米化以及在界面沉積修飾層或增加柔性緩沖層等。

針對固態電池相關的技術、材料、市場及產業等方面的問題，中國粉體網將于2024年9月5-6日在常州舉辦第六屆高比能固態電池關鍵材料技術大會。為致力于固態電池技術開發的企業，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業發展。屆時，上海交通大學湯衛平教授將作題為《NASICON結構固態電解質研究進展》的報告，報告將對湯衛平教授課題組所制備的Li₃Zr₂Si₂PO₁₂（NZSP）固態電解質材料的性能及研究進展展開詳細介紹。

專家簡介：

湯衛平，現任上海交通大學教授，上海前沿新能源電源技術研究院（民非）院長，上海軍民兩用技術促進會副理事長，全國固態離子學會、固態電池產業聯盟理事。主要從事固態離子學基礎及其應用研究。突出貢獻包括發明了錳系鋰離子篩材料并應用于鹽湖、油井水鹵水提鋰產業、以及離子交換反應制備新型NASICON型鋰固態電解質，并在固態鋰電池的產業中得到應用。曾任航天811所副總工程師，參與了我國登月、天宮、等空間飛行器的儲能電源預研工作。所帶領的空間電源國家重點實驗室致密儲能研發團隊被國防郵電工會命名為“湯衛平班組”，是我國國防領域的先進模范研發團隊。發表論文200余篇、專著4部（含合著，翻譯）、申請授權專利60余項。主持參與國家和省部級項目等重大科研項目10余項。

參考來源：

湯衛平等.NASICON結構Na₃Zr₂Si₂PO₁₂固體電解質研究進展

湯衛平等.Na₃Zr₂Si₂PO₁₂固態電解質研究進展

上海交通大學官網等

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