钠离子电池因储量丰富、成本低廉而成为可替代锂离子电池的储能设备之一，尤其是在大规模储能领域展现出了广阔的应用前景。然而，类似于锂离子电池，以可燃的液态电解质作为离子传输媒介的钠离子电池也不可避免地面临着安全性挑战。固态电解质的使用不仅可以大幅提升电池系统的安全性，与金属负极匹配更能进一步实现电池能量密度同步提升。尽管在过去的几年中，人们在探索钠基固体电解质材料方面做出了巨大的努力，但是各类固体电解质材料仍面临着离子电导率低、化学与电化学稳定性差等不同困境。因此，开发具有优选晶体结构和离子扩散路径、简单的制备工艺以及高电化学稳定性的钠基固体电解质材料对进一步开发钠基固态电池具有重要意义。

近日，吉林大学杜菲课题组和谢禹课题组提出一种具有hexagonal-prismatic结构的新型固态电解质材料Na5YSi4O12。材料三维的离子传输通道和低的晶界电阻使得Na5YSi4O12室温离子电导率高达1.59 × 10-3 S cm-1，活化能近为0.20 eV。通过匹配高电压Na3V2(PO4)3阴极和金属钠阳极，组装的准固态电池表现出与传统有机液态电池相当的电化学性能，进一步证明了Na5YSi4O12作为钠基固体电解质的优越性。该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上。孙歌和杨欣为本文共同第一作者。

内容表述

众所周知，离子在无机固体电解质中的运输通常可以分为两部分：在晶格内部的输运过程由材料固有晶体结构决定；在晶界处的传输则依赖于电解质的制备条件。首先，作者通过两步固相法成功合成了纯相的Na5YSi4O12固体电解质材料，并通过分子动力学模拟揭示了Na+在晶格内部的具体传输过程。结果表明Na+不仅可以通过-Na5-Na6-Na5-路径沿c轴的开放通道进行扩散，还可以通过-Na4-Na6-Na4-路径在垂直c轴的相邻通道之间传输。根据缺陷驱动扩散机制，通过观察Na+迁移路径加以证实，Na4、Na5和Na6位点上的空位确实有利于Na+的跃迁。
随后，结合物相分析和微观形貌对比发现，材料的相纯度和电解质材料的致密度极大的影响了Na5YSi4O12电解质的离子电导率。通过调控合成的温度和时间，室温离子电导率可高达1.59 × 10-3 S cm-1，活化能为0.20 eV。


接下来对Na5YSi4O12的稳定性进行了探究，通过循环伏安测试得到Na5YSi4O12具有宽的电化学稳定窗口。此外，Na||Na5YSi4O12||Na对称电池不仅可以承受2.2 mA cm-2的电流密度，更是可以在0.3 mA cm-2和0.3 mAh cm-2的条件下稳定循环1200h。结合对称电池的EIS图像和固体电解质/金属Na界面的SEM图像可以发现，随着Na沉积/剥离的进行，Na5YSi4O12与金属Na之间没有副反应的发生，同时界面接触性逐渐提升，并且在电解质内部观测不到Na枝晶的生成，表明Na5YSi4O12良好的枝晶抑制作用。


最后，为了进一步验证Na5YSi4O12作为固体电解质在固态电池中的优越性，作者组装了Na3V2(PO4)3||Na5YSi4O12||Na准固态电池，展现出了优异的循环性能和倍率性能，表明Na5YSi4O12是一种很有前途的固体电解质候选材料。

总结

Na5YSi4O12是一种新型钠基固态电解质材料，其室温离子电导率高达1.59 × 10-3 S cm-1、活化能为0.20 eV，在报道的锂基和钠基快离子氧化物导体中均具有很强的竞争力。得益于Na5YSi4O12宽的电化学稳定窗口、与金属Na之间良好的相容性和枝晶抑制作用，NVP||Na5YSi4O12||Na准固态电池展现出与有机液态电池相当的电化学性能，进一步表明Na5YSi4O12具有良好的应用前景。 

原标题：吉林大学：Na5YSi4O12，一种用于超稳定准固态钠离子电池的快离子导体