亚稳态钠硼氢化物固态电解质实现超厚阴极全固态电池在宽温域的高性能

本研究发现一种亚稳态正交相钠硼氢化物（o-Na3(B12H12)(BH4)）固态电解质，其具备4.6 mS cm?1的超高离子电导率（30°C）与卓越还原稳定性。通过高通量分子动力学模拟揭示阴离子运动可显著提升钠离子迁移率。该材料成功应用于310μm超厚阴极全固态钠电池，实现了室温与低温环境下的稳定运行，为新一代储能系统开发提供新范式。

　　

研究亮点

亚稳态正交相Na₃(B₁₂H₁₂)(BH₄)在30°C时展现4.6 mS cm^?1的超离子电导率，兼具优异还原稳定性。高通量分子动力学模拟表明，阴离子运动显著增加了高迁移率Na⁺的数量而不影响活化能。凭借其宽温域高导电特性，该材料使具备超厚阴极（约310μm）的全固态钠离子电池能够在室温和零下环境中可靠运行。

引言

全固态电池（ASSBs）采用固态电解质替代传统液态电解质，因其安全性、长寿命和高能量密度等内在特性备受学术界与工业界关注。尽管锂基电池仍是主流技术，但钠基ASSBs因钠资源丰富且成本低廉，成为互补性、安全且经济的选择。优选固态电解质需综合考虑离子电导率、电化学稳定性及机械性能等因素。

由于氧化物阴极较差的钠扩散性和高杨氏模量，必须将固态电解质与活性材料整合以提供电极层中的离子渗透通道。因此，固态电解质需具备低模量以有效贴合阴极，同时在反复电化学反应中保持材料间紧密接触。为实现ASSBs对传统锂离子电池的替代，需要厚密阴极与高容量合金阳极以提升电池级能量密度。相应地，高导电性（>mS cm^?1）固态电解质对于降低电池欧姆电阻和极化至关重要。

钠硼氢化物因其低密度（约1.2 g cm^?3）、低毒性、优异还原稳定性及适中柔软机械性能（支持室温致密化）成为前景广阔的固态电解质。研究表明，引入混合异价或等价阴离子化合物可稳定高对称多晶型物，从而实现室温超离子电导。虽然高对称阴离子结构支持钠离子长程扩散，但其规则配位位点造成较大能隙阻碍钠离子迁移。相反，降低阴离子晶格对称性可创造不规则配位环境，降低能垒并增强离子电导。

尽管存在这些潜在优势，具有Cmc2₁对称性的正交相钠硼氢化物（o-NBH，化学组成Na₃(B₁₂H₁₂)(BH₄)）的室温离子电导率比保留高对称骨架的相低一个数量级。o-NBH在室温下的不确定热稳定性可能导致降解或相变，进而降低合成材料纯度。本研究结合实验与计算方法，证明亚稳态o-NBH具有超离子电导特性，在30°C时达到4.6 mS cm^?1。该材料推动了具有超厚阴极（约310μm）的ASSBs发展，使其在室温及零下环境中均能提供可靠容量。