6. 有機電解質

相比于無機固態電解質，有機固態電解質具有良好的柔性、低的界面阻抗、以及易于制備等優點。有機固態電解質主要由有機聚合物基體與溶解在其中的鹽組成，除此之外可能還包含一些增塑劑。最常見的基體有：聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮等。在有機聚合物基體中加入一定含量的增塑劑有利于提升有機固態電解質的離子電導率，無機填料的加入也有助于提升其離子遷移數。

圖6. 有機聚合物電解質

在這個部分，系統討論了不同類型的鈉離子固態電解質的最新進展。為了比較不同類型的固態電解質，作者總結了一些具有代表性的鈉離子固態電解質的離子電導率隨溫度的變化關系。

圖7. 各類典型電解質的離子電導率和溫度的關系

界面工程

1. 負極/電解質界面

為確保電池的正常運行，穩定的負極與電解質界面至關重要。Beta氧化鋁電解質、NASICON電解質、復合氫化物電解質、有機電解質大體都可與鈉金屬負極形成穩定的界面。然而，大部分硫化物電解質對金屬鈉不穩定，例如Na3PS4與金屬鈉接觸會分解產生Na-2S和Na3P，從而導致電池性能的衰減。硫化物對金屬鈉的穩定性可通過元素取代來進行改善，例如使用Sb5+全部取代P5+獲得的Na3SbS4對鈉金屬具有良好的穩定性。

圖8. 負極/電解質界面問題

2. 正極/電解質界面

正極/電解質的化學穩定性以及界面接觸是構筑高性能全固態鈉電池的關鍵。其中正極材料化學穩定性決定了其是否可用于全固態鈉電池。除此之外，電解質與充放電中間產物之間的化學兼容性也應著重考慮。相比于化學穩定性，更多的研究集中于如何增加正極與電解質之間的界面接觸。改善界面接觸最常見的方法有：與活性材料混合、在界面處添加潤滑劑、電解質原位包覆正極，原位合成電解質正極復合材料等。

圖9. 正極/電解質界面問題

為更好的理解固態鈉電池這個領域，作者總結了提升固態鈉離子電解質性能：包括離子電導率、遷移數、化學/電化學穩定性、機械性能和界面問題(界面接觸和化學兼容性)的常用策略。除此之外，還總結了具有代表性的不同類型的固態電解質的主要性能、優點及不足。值得注意的是，因為優化后的固態電解質的離子電導率一般都能滿足應用的要求(10-3 S cm-1)，所以目前電極/電解質界面是固態鈉電池中最主要的問題。從界面這個角度來講，相比于其他固態電解質，硫化物和聚合物電解質具有更大的應用前景，因此如何提升硫化物的化學/電化學穩定性和聚合物的室溫離子電導率至關重要。

圖10. 提升電解質和界面性能的措施總結

總結與展望

1.固態鈉電池的挑戰

(1)NASICON電解質苛刻的合成條件;

(2)硫化物電解質較差的化學/電化學穩定性;

(3)復合氫化物電解質較差的電化學穩定性;

(4)聚合物電解質較低的室溫離子電導率;

(5)電極/電解質之間的界面問題(界面接觸和化學兼容性)。

2. 電解質和界面的基本設計原則

(1)增加可移動的鈉離子密度、減小鈉離子擴散能壘來提高離子電導率;

(2)固定陰離子提升聚合物電解質的離子遷移數;

(3)調整鍵的強度提升電解質的化學穩定性;

(4)加入緩沖層改善界面穩定性;

(5)增大固態電解質與電極之間的接觸面積;

(6)避免使用有毒或價格昂貴的原料。

3. 固態電解質未來的研究方向

(1)基本設計原則與理論計算相結合來設計高性能固態電解質;

(2)實驗研究優化固態電解質的性能和界面;

(3)利用更多先進的原位表征技術(如XRD，XPS，XAS和TEM等)研究固態鈉電池中的電解質和界面問題;

(4)開發簡單廉價的制備方法來實現高性能固態電解質的規模化生產。

電池研究已邁進全固態時代，蘊藏著巨大的機遇和挑戰!