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6. 有机电解质

相比于无机固态电解质，有机固态电解质具有良好的柔性、低的界面阻抗、以及易于制备等优点。有机固态电解质主要由有机聚合物基体与溶解在其中的盐组成，除此之外可能还包含一些增塑剂。最常见的基体有：聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮等。在有机聚合物基体中加入一定含量的增塑剂有利于提升有机固态电解质的离子电导率，无机填料的加入也有助于提升其离子迁移数。

图6. 有机聚合物电解质

在这个部分，系统讨论了不同类型的钠离子固态电解质的最新进展。为了比较不同类型的固态电解质，作者总结了一些具有代表性的钠离子固态电解质的离子电导率随温度的变化关系。

图7. 各类典型电解质的离子电导率和温度的关系

界面工程

1. 负极/电解质界面

为确保电池的正常运行，稳定的负极与电解质界面至关重要。Beta氧化铝电解质、NASICON电解质、复合氢化物电解质、有机电解质大体都可与钠金属负极形成稳定的界面。然而，大部分硫化物电解质对金属钠不稳定，例如Na3PS4与金属钠接触会分解产生Na-2S和Na3P，从而导致电池性能的衰减。硫化物对金属钠的稳定性可通过元素取代来进行改善，例如使用Sb5+全部取代P5+获得的Na3SbS4对钠金属具有良好的稳定性。

图8. 负极/电解质界面问题

2. 正极/电解质界面

正极/电解质的化学稳定性以及界面接触是构筑高性能全固态钠电池的关键。其中正极材料化学稳定性决定了其是否可用于全固态钠电池。除此之外，电解质与充放电中间产物之间的化学兼容性也应着重考虑。相比于化学稳定性，更多的研究集中于如何增加正极与电解质之间的界面接触。改善界面接触最常见的方法有：与活性材料混合、在界面处添加润滑剂、电解质原位包覆正极，原位合成电解质正极复合材料等。

图9. 正极/电解质界面问题

为更好的理解固态钠电池这个领域，作者总结了提升固态钠离子电解质性能：包括离子电导率、迁移数、化学/电化学稳定性、机械性能和界面问题(界面接触和化学兼容性)的常用策略。除此之外，还总结了具有代表性的不同类型的固态电解质的主要性能、优点及不足。值得注意的是，因为优化后的固态电解质的离子电导率一般都能满足应用的要求(10-3 S cm-1)，所以目前电极/电解质界面是固态钠电池中最主要的问题。从界面这个角度来讲，相比于其他固态电解质，硫化物和聚合物电解质具有更大的应用前景，因此如何提升硫化物的化学/电化学稳定性和聚合物的室温离子电导率至关重要。

图10. 提升电解质和界面性能的措施总结

总结与展望

1.固态钠电池的挑战

(1)NASICON电解质苛刻的合成条件;

(2)硫化物电解质较差的化学/电化学稳定性;

(3)复合氢化物电解质较差的电化学稳定性;

(4)聚合物电解质较低的室温离子电导率;

(5)电极/电解质之间的界面问题(界面接触和化学兼容性)。

2. 电解质和界面的基本设计原则

(1)增加可移动的钠离子密度、减小钠离子扩散能垒来提高离子电导率;

(2)固定阴离子提升聚合物电解质的离子迁移数;

(3)调整键的强度提升电解质的化学稳定性;

(4)加入缓冲层改善界面稳定性;

(5)增大固态电解质与电极之间的接触面积;

(6)避免使用有毒或价格昂贵的原料。

3. 固态电解质未来的研究方向

(1)基本设计原则与理论计算相结合来设计高性能固态电解质;

(2)实验研究优化固态电解质的性能和界面;

(3)利用更多先进的原位表征技术(如XRD，XPS，XAS和TEM等)研究固态钠电池中的电解质和界面问题;

(4)开发简单廉价的制备方法来实现高性能固态电解质的规模化生产。

电池研究已迈进全固态时代，蕴藏着巨大的机遇和挑战!