高导电可加工NaSICON固体电解质的湿度调控合成及其在钠基电池中的应用研究

这篇研究通过优化固相合成工艺，成功开发出高Na+电导率（25℃达3.75 mS/cm）且可机械加工的NaSICON（Na1+xZr2SixP3-xO12）电解质。创新性地揭示了20%-50%湿度环境下，前驱体中Na3PO4和Na2CO3的吸水性会显著降低材料致密度（<97%）和Na+传输效率，而1000℃预烧结晶可有效消除湿度影响，为钠离子电池提供了稳定可靠的固态电解质解决方案。

　　

高导电可加工NaSICON的合成突破

1. 1.

   研究背景

   NaSICON作为1976年发现的经典固态电解质，其独特的ZrO₆八面体与SiO₄/PO₄四面体结构形成了高效的Na⁺传输通道。近年来随着钠基电池研究的兴起，该材料在熔融钠电池和全固态电池中展现出巨大潜力。然而传统合成方法面临高温烧结（>1300℃）、原料吸湿性等挑战，导致产品性能不稳定且难以规模化生产。

2. 2.

   湿度影响的系统解析

   通过对比20%-50%相对湿度下的制备过程，发现未预烧样品在50%湿度下烧结后会完全崩解。热重分析显示前驱体吸水量可达4wt%，主要源自Na₃PO₄·12H₂O脱水不完全和Na₂CO₃的再水合。XRD证实600℃预烧后仍存在γ/β-Na₃PO₄吸湿相，而1000℃预烧可生成Na₂ZrSi₂O₇中间相，显著降低材料吸湿性。

3. 3.

   关键工艺优化

   采用1000℃预烧结合1230℃烧结的阶梯温度策略，成功获得97%理论密度和3.75 mS/cm电导率的产品。扫描电镜显示该条件下形成1-10μm的NaSICON晶粒簇，晶界相含量降至14.1%（20%湿度）。阻抗谱分析证实晶界Na⁺电导率（σ_GB）提升是总体性能改善的关键，而1230℃全转化样品因过度晶粒生长导致孔隙率达3.5%。

4. 4.

   机械性能突破

   优化工艺制备的NaSICON展现出卓越的加工性：可被金刚石锯片切割成1mm薄片（100%成品率），并能承受钻孔等机械加工。这得益于中间相调控形成的致密微观结构，与直接使用商业NaSICON粉末烧结的脆弱样品形成鲜明对比。

5. 5.

   应用前景展望

   该研究建立了湿度-预烧温度-性能的定量关系，为规模化生产提供了稳定工艺窗口。使用廉价原料（洗涤碱、陶瓷釉料等）的策略大幅降低了成本，未来通过流延成型等工艺可进一步拓展其在钠硫电池、离子分离膜等领域的应用。