豐橋技術(shù)大學(xué)電氣和電子信息工程系的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種氯（Cl）替代的Na3SbS4固體電解質(zhì)，用于全固態(tài)的鈉（Na）離子電池。與沒有氯替代的樣品相比，硫（S）被氯部分替代的Na3SbS4固體電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性提高了三倍。研究小組還證明，被Cl取代的Na3SbS4有一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)框架，使Na離子更容易在三維空間中移動(dòng)，而且他們發(fā)現(xiàn)被Cl取代的Na金屬陽極表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。

由于對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能需求的增加，利用低成本和豐富的Na資源的全固態(tài)鈉（Na）離子電池的研究正在加速進(jìn)行。為了在實(shí)際應(yīng)用中使用全固態(tài)鈉離子電池，必須開發(fā)一種在室溫下具有高離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)。在各種Na固體電解質(zhì)中，Na3SbS4固體電解質(zhì)在室溫下具有1 mS cm-1或更高的電導(dǎo)率，因此在世界各地被廣泛研究。然而，為了實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，需要通過球磨進(jìn)行后處理，而通過較簡(jiǎn)單的合成工藝實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率一直是值得注意的問題。



因此，研究小組采用適合大規(guī)模生產(chǎn)的液相合成方法，開發(fā)了一種被Cl取代的Na3SbS4固體電解質(zhì)。通過在Na3SbS4固體電解質(zhì)中用Cl部分替代S，他們?cè)谑覝叵碌碾x子電導(dǎo)率比沒有替代的樣品（0.3mS cm-1）提高了三倍（0.9mS cm-1）。此外，他們還對(duì)離子傳導(dǎo)途徑進(jìn)行了可視化，以澄清由于氯的取代而發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化對(duì)傳導(dǎo)特性的影響。結(jié)果，他們證明了在Na3SbS4中用Cl部分取代S導(dǎo)致Na離子與S（或Cl）的局部結(jié)合松散，形成了Na與S（或Cl）之間的弱靜電作用的晶體結(jié)構(gòu)框架，特別是促進(jìn)了離子沿晶體c軸的擴(kuò)散。通過Cl替代而增加的離子傳導(dǎo)性是由于形成了一個(gè)具有三維離子擴(kuò)散途徑的晶體結(jié)構(gòu)。



此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，與沒有Cl替代的樣品相比，Cl替代的Na3SbS4固體電解質(zhì)在Na金屬陽極上表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。他們證明，這種電化學(xué)穩(wěn)定性的改善與陽極和固體電解質(zhì)之間的界面電阻的減少有關(guān)，并且重度Cl摻雜能有效地改善與陽極的穩(wěn)定性。

研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則，即開發(fā)具有理想特性的固體電解質(zhì)，如高離子傳導(dǎo)性和卓越的電化學(xué)穩(wěn)定性。他們認(rèn)為，這項(xiàng)研究的固體電解質(zhì)可以與液相涂層技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)Na離子電池的高存儲(chǔ)容量和穩(wěn)定循環(huán)。