Angew. Chem. ：基于钠钾合金的固态电解质界面稳定性模型研究

固态电解质由于其高能量密度具有极大的应用前景，但其介面接触问题导致的不充分的电荷导通、较差的化学/电化学稳定性、和更加明显的直径问题，使其商业化遭遇重重挑战。以钠钾合金为代表的液态碱金属负极具有较高的能量密度和较快的反应动力学，且无固态锂金属负极的枝晶问题需要担忧，因其共形性使其在固态电解质中的应用极具潜力，从而理论上可以实现能量密度极高的碱金属负极固态电池。然而，由于钠钾合金的多组分特性，钾离子因为具有较低的标准还原电位，会与只导通钠离子的离子导体（如Na-β’ alumina, NASICON等）发生置换反应，从而破坏晶格结构而使得电池无法稳定运行。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授与David Mitlin教授合作，报道了在高分子固态电解质薄膜涂层的存在下可以稳定在钠离子固态电解质上运行的液态钠钾合金负极，并根据其独特的化学和电化学动力学控制了离子选择的特性提出了新的界面稳定性模型。

基于聚环氧乙烷（PEO）骨架的高分子固态电解质涂层可以有效的防止钾成分因接触钠离子NASICON导体而产生置换反应却仍然可以保持较好的离子传输。与在有机液态电解液中的氟化物离子通道不同，因为固态电解质与碱金属会形成不一样的界面组分，这一涂层的离子选择性被发现是由涂层中溶解的盐的沉积溶解平衡来决定的。NaClO₄相较于KClO₄有着较大的溶解能力，所以化学动力学上阻止了钾离子的进一步脱出，而没有这种明显的溶解度区别的TFSI^–盐则并不具备离子选择性，从而会导致钾离子在循环过程中逐渐进入NASICON晶体，导致晶格结构的坍塌。

另外，较高的反应倍率虽然会造成较高的界面过电势，但因此导致的分解产物却能够帮助实现离子选择性。根据以上规律，作者提出并用多种表征手段辅助电化学测试证明了基于钠钾合金而总结出的固态电解质的稳定性模型。在固态电解质中，电解质的化学稳定性、化学动力学、和电化学动力学将共同影响碱金属在界面稳定性，并决定混合离子系统中的离子选择性。

此研究实现了大大提升的碱金属与固态电解质运行的循环稳定性，有效降低了界面电阻，并根据合金负极体系中的离子选择性提出了更加系统全面的固态电解质界面稳定性模型，为今后的研究提供了重要参考。

论文信息

Revealing the Solid-State Electrolyte Interfacial Stability Model with Na–K Liquid Alloy

Xuelin Guo,Dr. Yijie Liu,Xiao Zhang,Zhengyu Ju,Dr. Yutao Li,Prof. Dr. David Mitlin,Prof. Dr. Guihua Yu

文章的第一作者是美国德克萨斯大学奥斯汀分校的博士生郭雪霖。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202203409