基于EIS-DRT分析揭示全固态钠氧电池性能瓶颈及界面优化策略

本研究针对全固态Na-O2电池存在的低电流密度和循环不稳定性问题，通过电化学阻抗谱(EIS)结合弛豫时间分布(DRT)分析，揭示了Na/固态电解质(SE)界面接触不足是主要瓶颈。研究人员采用熔融钠摩擦涂覆技术优化界面，并设计Ag/CNT复合阴极，最终实现4.2 mAh cm-2的高容量和100次循环下90%的能量效率，为高能量密度固态电池开发提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增，开发超越传统锂离子电池的新型储能系统成为迫切需求。全固态钠氧(Na-O₂)电池因其高能量密度、低成本和高安全性备受关注，但长期受限于低电流密度和循环寿命短的瓶颈。这些性能缺陷主要源于复杂的界面问题——包括离子传输受阻、界面电阻升高以及电极-电解质界面不稳定等挑战。尽管已有研究尝试通过多孔阴极材料、催化剂添加或机械压制等手段改善性能，但缺乏系统性解决方案来应对这一新兴电池架构的核心问题。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所和上海科技大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表突破性研究，创新性地将电化学阻抗谱(EIS)与弛豫时间分布(DRT)分析相结合，首次在全固态Na-O₂电池中实现了多界面过程的精准解耦。通过构建Na-Ag-O₂混合反应体系，研究人员发现当电流密度从0.07提升至0.14 mA cm^-2时，放电平台出现显著衰减，同时阻抗值急剧增加。DRT分析揭示在10^-4-10^-3秒时间常数范围内出现约4500Ω的突出电阻峰，指向特定界面的性能劣化。

研究采用三步关键技术：1）通过对称电池测试结合逐步界面处理法，确认Na/BASE（β"-Al₂O₃固体电解质）界面是限制倍率性能的关键瓶颈；2）开发熔融钠摩擦涂覆技术，使金属钠与BASE形成连续紧密接触，将界面阻抗从4500Ω降至100Ω；3）设计Ag/CNT/PTFE多孔复合阴极，构建增强氧扩散的三维导电网络。

关键研究发现

1. 界面瓶颈定位：通过对称电池测试证明，仅当重置Na/BASE界面时，电池性能才能恢复，而阴极处理无效。

2. 界面工程突破：熔融钠涂覆形成的Na_r/BASE界面在SEM下呈现完美接触，使电池在0.28 mA cm^-2下保持稳定放电平台。

3. 阴极优化设计：Ag/CNT阴极的DRT分析显示氧扩散阻力(τ₃)降低77%，实现100次循环中2.8 mAh cm^-2的容量保持。

研究结论

该工作建立了EIS-DRT诊断与材料工程协同优化的研究范式：通过时间常数解析发现τ₂(10^-4-10^-3s)对应SEI层电阻，τ₃(1-10s)反映阴极氧扩散过程。最终优化的全固态电池实现0.84 mA cm^-2的高电流密度和4.2 mAh cm^-2的容量，性能参数超越已报道同类体系。研究还证实该策略的普适性——采用CoFe₂O₄替代贵金属Ag时，电池仍能保持21个稳定循环。这项研究不仅为固态金属-空气电池开发提供方法论指导，其揭示的界面调控机制对发展下一代高能量密度储能器件具有重要启示意义。