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科研进展｜连续上新！孙学良院士团队发表两篇重磅新型固态电解质研究成果
最新新闻 | 2024-11-26《Nature Materials》论文 双阴离子基钠超离子导体 
近日，我校讲席教授孙学良院士在国际知名期刊《Nature Materials》发表题为“A family of Dual Anion-Based Sodium Superionic Conductors for All-Solid-State Sodium-Ion Batteries”的学术论文。文章报道了一类新型的双阴离子基钠超离子导体（Na2O2-MCly; NMOC, M=Hf, Zr, Ta）。这类电解质打破了传统单阴离子基固态电解质的局限，不仅同时实现了高离子电导率和正极界面稳定性，而且构建了具有优异电化学性能的全固态钠离子电池。
固态电解质是实现高性能全固态钠离子电池的关键技术。然而，现有的无机固态电解质（如氧化物、硫化物和卤化物）在离子导电率和与电极的界面兼容性（包括机械、化学和电化学方面）等方面仍存在诸多限制，阻碍了全固态钠离子电池的全面发展。现有的电解质体系都是基于单阴离子结构，各自具备不同的优势和不足，无法全面适配高能量密度钠离子电池，因此亟需通过结构设计的创新来整合不同类型材料的优势。
为了推动全固态钠离子电池的全面发展，团队开发了一类新型的双阴离子基钠超离子导体（Na2O2-MCly; M=Hf, Zr, Ta），并详细探究了此类固态电解质的独特结构、机械性能和电化学特性。与单阴离子钠氯化物电解质相比，这类新材料因为氧、氯阴离子的同时引入而呈现出高度无序的局域结构，进而构建了钠离子传输的开放式框架结构，使得室温离子电导率达到2.0 mS cm-1。NMOC固态电解质还表现出宽的电化学稳定窗口，其氧化电位高达4 V vs. Na+/Na15Sn4，使其在构建高能量密度钠离子电池方面具有巨大优势。此外，此类电解质材料不仅对正极展现了优异的化学和电化学兼容性，而且具有优异的机械柔软性，通过与无人工涂层的层状氧化物Na0.85Mn0.5Ni0.4Fe0.1O2正极匹配，构建了具有优异倍率性能和循环寿命的全固态钠离子电池。在0.2C下循环700圈以后，电池的容量保持率达到了78%。
此类电解质的发现，标志着钠离子固态电解质技术的一项重大突破，不仅克服了传统单阴离子无机固态电解质的主要局限性，还为开发更高效、安全且可扩展的固态电解质提供了新思路，极大地拓宽了全固态钠离子电池的应用前景。
加拿大西安大略大学林晓婷博士、张淑敏博士和同济大学杨孟昊研究员为该论文的第一作者，宁波东方理工大学（暂名）讲席教授孙学良院士为本论文的唯一通讯作者。其他合作作者来自中国、美国、加拿大等地。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02011-x
《Nature Nanotechnology》论文 氮化物固态电解质 11月25日，孙学良团队联合加拿大西安大略大学Tsun-Kong Sham院士、马里兰大学莫一非教授及橡树岭国家实验室的刘珏博士,在国际知名期刊《Nature Nanotechnology》以“Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries”为题联合发布了一项固态电解质研究成果，通过设计空位富集的β-Li3N固态电解质，成功解决了锂金属电池的界面反应和锂枝晶生长问题，显著提升了电池的整体性能。
全固态锂金属电池具有取代现有锂离子电池技术的巨大潜力。与传统液态电池相比，全固态锂金属电池使用固态电解质和锂金属负极，不仅显著提升了电池的能量密度，而且同时改善了安全性和循环寿命。这一技术突破将为电动汽车和大型储能系统等领域提供更加高效且安全的能源储存解决方案。然而，现有的硫化物、卤化物和氧化物电解质在与锂金属负极匹配时，面临着界面反应、材料不稳定性以及锂枝晶生长等问题，这些问题严重限制了全固态锂金属电池的库仑效率、能量密度以及使用寿命。因此，开发具有优异界面稳定性、高离子导电率的新型固态电解质材料是提升全固态锂金属电池性能的关键。
该研究团队合成了一种富含锂和氮空位的β-Li3N固态电解质,同时揭示了空位参与的锂离子快速迁移机制。这种固态电解质材料不仅具有极高的室温离子导电率，达到2.14×10-3S/cm，超越了已报道的氮化物电解质，而且展现了卓越的对空气和锂金属稳定性。该研究团队进而成功构建了高性能锂对称电池，不仅展现出超过4000小时的循环寿命，而且在极高临界电流密度下（45 mA/cm2）实现了稳定运行。另外，该研究团队还开发了全固态锂金属电池，通过β-Li3N与卤化物电解质，LiCoO2（LCO）和高镍LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正极材料进行科学匹配，展现了优异的循环寿命：在1.0 C循环电流下，LCO电池在5000次循环后容量保持率达到了82.05%，而NCM83电池在3500次循环后容量保持率达到了92.5%。
该研究为全固态锂金属电池在电动汽车等领域的快速充电和高能量密度需求提供了新的技术路径，预计将在未来推动电池技术的大规模应用进程。
该论文第一作者为加拿大西安大略大学李维汉助理教授、李旻鸶博士，马里兰大学汪硕助理教授和橡树岭国家实验室Po-Hsiu Chien博士。宁波东方理工大学（暂名）讲席教授孙学良院士为本论文的第一通讯作者。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01813-z
团队简介 物质与能源研究院 依托宁波东方理工大学（暂名），孙学良院士领衔创建物质与能源研究院（暂名），聚集世界一流人才，围绕国家能源战略技术需求，开展新型高比能全固态锂/钠电池及燃料电池应用基础研究。研究院现拥有临时实验场地1000平方米，永久校园实验场地4000平方米，具备先进的材料合成、电池和燃料电池制造、电化学分析及表征能力（SEM、XRD、Raman，FT-IR，Nano-CT等）。此外，研究院具有丰富的同步辐射及中子散射表征资源，学校具有球差电镜中心、高性能计算平台等公共研究设施，为开展科学研究提供了坚实的保障。
