从熔融盐走向全固态钠金属电池新时代

　　文／萧 磊

　　随着人们环保意识的增强，可再生能源融入电网存储已成全球化趋势，电池存储系统也成为重中之重，而钠离子电池因为资源丰富、成本低廉成为当前电化学储能领域的研究前沿。美国能源部电力办公室近年来加速布局各大国家实验室，投入大规模电网存储系统，例如美国西北太平洋国家实验室与桑迪亚国家实验室近年来一直致力于开发新一代中低温熔融钠金属电池。

　　目前，我国虽然在钠离子电池的产业化领域处于领先地位，但是在中低温乃至室温钠金属电池领域的基础科研与产业开发方面仍然相对较弱，而钠金属电池在诸多电网存储领域具有重要应用价值，如钠金属卤化物电池以及钠- 硫电池等可提供负载转移、峰值负载抑制、后备电力等服务。此外，基于固态电解质的全固态钠电池具有阻燃防爆、可直接匹配金属钠负极和高压正极优点，有望进一步提高钠电池的能量密度和安全性能，拓宽钠金属电池的应用市场。这正是安徽大学化学化工学院/ 材料科学与工程学院教授詹孝文目前的科研重点和兴趣所在。

　　未来已来，就在钠里

　　在北京科技大学材料科学与工程国际实验班获得学士学位后，詹孝文远赴美国继续学术征程。2018 年，詹孝文在美国肯塔基大学获得材料科学与工程博士学位，2018—2020 年在美国西北太平洋国家实验室担任博士后研究员。在美国的 7 年时间里，詹孝文致力于研究固态电解质及其在锂/ 钠金属电池中的应用，先后在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials 等顶级期刊上发表论文10 余篇，均为第一作者。

　　在论文中，詹孝文介绍了自己的学术产出。尤其是在中温钠金属电池领域，他首先系统研究了Na-NiCl2 电池的反应动力学，揭示了中温钠金属- 卤化物电池的决速步骤，将传统Na-NiCl2 电池的倍率性能提升了2.5 倍。他的工作为熔融电池提供了基本的反应动力学理解，并有效推动了中温钠金属卤化物电池的实用化进程。在此基础上，他首次将中温 Na-NiCl2 电池的单体容量放大到10 Ah。

　　尽管成功实现了对阴离子的调控，进一步揭示了该电池体系的正极反应机理，提升了Ni 基电池的倍率性能，但Ni 基电池面临的无法快充及Ni 价格高的瓶颈仍然无法突破。因此，在学术兴趣和现实需求的驱动下，詹孝文以地壳中第二丰富的金属元素Fe 以及海水中富集的NaCl 为原料，首次开发了低成本、快充型中温Na-FeCl2 电池，同时解决了商用 Na-NiCl2 电池Ni 价格高与低充放电速率两大难题，有力促进了该电池的产业化发展。

　　不仅如此，詹孝文还开发了实用新型Na-Al 电池。Al 是地壳中最富集的金属元素，且其三电子转移特性使得Al 金属电极的体积与质量能量密度可达到极高程度。自从2015 年学界提出以石墨为正极的非水系铝电池以来，多种正极材料相继被报道，但都无法满足实用性铝电池的能量密度要求。

　　詹孝文通过将Al 负极正用，并结合Na 负极、NaAlCl4 阴极电解液以及Na-β"-Al2O3 固态电解质，构造了这种新型中温Na-Al 电池。该电池所实现的高能量密度成为目前铝基电池中最好的纪录之一。

　　在美国学习期间，詹孝文一直不忘学术交流与服务，曾先后在普渡大学、美国阿贡以及橡树岭国家实验室交流学习。长期担任Chemical Communications 等10 多家顶级专业期刊的审稿人，获得了Web of Science“2019 顶级同行评审人”、美国电化学协会电池分会参会奖助金（2017、2018）等多项国际学术荣誉，还独立主持美国能源部先进光源使用项目2 项，参与美国能源部以及自然科学基金委重大项目2 项。不仅因学术成绩突出，更因为学术品格优秀，詹孝文获得了同行的普遍认可。

　　下一关隘，难在界面

　　2020 年7 月，詹孝文归国，入选安徽省“青年百人计划”，在安徽大学化学化工学院/ 材料科学与工程学院担任教授。前期围绕Na-β"-Al2O3 固态电解质体系，詹孝文在中温钠金属电池开发与产业化延伸等方面进展重大。基于在熔融钠金属电池方面的科研基础，詹孝文继续深入研究中低温钠金属电池，以期逐步实现运行温度的进一步降低，最终过渡至环境温度乃至室温全固态钠金属电池。

　　在他看来，得益于固态电解质的引入，低温熔融钠金属电池与室温全固态电池具备更高的能量密度上限和安全性，有望作为下一代安全、可充、高能量密度电池的可靠选择，拓宽我国在安全经济型静态能源存储系统方面的选择。同时，从实用性角度出发，相比于Na-β"-Al2O3 固态电解质， NASICON 型Na3Zr2Si2PO12（NZSP）固态电解质在低温下的离子电导率更高，烧结温度更低，因此更适用于低温及室温钠金属电池。但熔融钠在NZSP 表面的润湿性差，会产生巨大的界面接触电阻。

　　针对这一前沿学术问题，詹孝文凝练出“全固态钠金属电池的负极界面改善策略与机理研究”课题，期待带领团队首先开发合成高纯度NZSP 固态电解质的可量产化工艺，同时建立稳定NZSP/ 钠金属负极界面的最优条件，并揭示不同因素的作用机制，实现熔融钠金属的有效润湿，全面改善界面接触，降低界面电阻，最终将揭示钠金属负载量对钠沉积 / 溶出过程稳定性的影响，指出提高全固态电池中钠金属负极利用率乃至单体能量密度的途径，为实用型NZSP 基全固态钠金属电池的工业化生产奠定实验基础和提供理论指导。

　　回国不足三年的时光，詹孝文在教学科研岗位上的工作已初见成效。教学上发挥所长，在学院为研究生开设全英文专业课程，帮助学生拓宽学术视野，同时指导本科生出国留学，参与学术竞赛，获得了第十届“挑战杯”安徽省大学生创业计划竞赛优秀指导教师等荣誉。科研上，加入安徽大学后，以通讯作者身份在Nature Communications、Chemical Science 等顶级期刊发表论文多篇，获聘中国科技期刊卓越行动计划《稀有金属》青年编委、SCI 国际期刊Coatings 客座编辑等。

　　作为深受中国优秀传统文化浸润的学术界优秀人才，詹孝文始终怀着深深的学术责任感，为中华民族伟大复兴和社会可持续发展尽一份自己的力量。目前，他所主持的在研项目包括安徽大学高层次人才启动项目、国家自然科学基金青年基金、安徽省自然科学基金青年基金等。前行之路任重而道远，但詹孝文始终甘之如饴，成功化压力为动力，快马加鞭，一往无前。

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