一、研究亮点
1. 聚焦“界面决定性能”的核心命题：明确指出界面过程对SSSBs的电化学性能、稳定性与寿命具有关键影响，并将“理解与调控界面现象”定位为推进SSSBs技术发展的重要目标。
2. 覆盖全电池关键组件的系统化界面工程框架：围绕材料设计原则、界面失效类型与多尺度电化学行为，给出对不同组件的全景式梳理与对比，涵盖正极材料、正极–固态电解质界面、固态电解质、固态电解质–负极界面以及负极材料等。
3. 强调“原位/工况表征 + 材料/界面协同设计”的证据链与策略导向：总结多尺度原位与工况表征技术在揭示动态界面行为方面的进展，并提出通过将先进表征与材料与界面设计相结合来识别关键挑战、综述策略，从而为构筑高性能SSSBs提供未来路径与研究视角。
图1. 固态钠电池界面工程：材料设计、界面策略与多尺度表征的进展。
二、研究背景
随着能源需求的激增和全球可持续发展目标的推进，储能系统已成为当代社会至关重要的技术基石。在众多电化学储能解决方案中，锂离子电池（LIBs）主导着商业市场，广泛应用于便携电子设备、电动汽车及固定式储能领域。然而，锂资源稀缺、成本攀升及固有安全隐患等限制因素，加速了人们对替代电池化学体系的探索。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富且分布广泛，被公认为具有经济可行性和可持续性的锂离子电池替代方案。然而，传统液态电解质钠电池与锂电池存在相似缺陷，如电解液泄漏、易燃性、工作温度受限以及负极枝晶生长等问题，这些缺陷带来重大安全隐患并限制电池性能。SSSBs通过用固态电解质（SEs）替代传统液态电解质，有效解决了这些固有缺陷，在多种工作条件下实现了安全性提升、能量密度提高、热稳定性增强及电化学性能优化。因此，SSSBs受到学术界和工业界的高度关注，被誉为通往下一代储能系统的革命性路径。尽管具备诸多优势，固态钠电池的广泛应用仍受限于固态电解质与电极材料间的界面不稳定性，具体表现为高界面电阻、化学不相容性、机械失效及枝晶引发的短路。这些界面复杂性从根本上降低了电池的循环寿命、倍率性能及运行可靠性。尽管已有大量研究涵盖上述方向，但现有文献多聚焦单一领域，缺乏系统性。迄今尚未见将“材料设计、界面改性与表征技术”整合于SSSBs背景下的综合性综述，本文旨在填补这一重要空白并提供统一框架以指导未来研究。本文首先系统梳理固态钠电池的基础理论与挑战，涵盖离子传输原理、界面工程材料设计准则、界面失效类型及多尺度电化学行为。继而系统回顾固态电解质的理性设计与界面工程功能电极材料。随后基于界面反应机制与界面功能性，总结近期界面改性策略。最后，文章重点阐述了多尺度表征技术的研究进展，并基于界面工程提出高性能固态钠电池的未来发展方向。本综述对固态钠电池研究现状做出全面总结并提出了宝贵的视角，将助力未来技术突破，引导新一代固态钠电池在安全性、能量密度、使用寿命及商业化规模化方面取得进展，最终推动全球储能解决方案向可持续、高效且安全的电化学储能系统迈进。
全固态钠电池中的钠离子扩散是一个涉及固态硬质表面氧化物、柔性聚合物及复杂界面的多维过程。每个区域（如阴极、电解质和阳极）呈现出独特的钠离子传输物理化学机制（图2）。无机电解质虽具备高导电性和机械强度，但其界面往往存在相容性问题。相反，有机体系虽能提供更优的界面接触与加工性能，却受限于较低的导电性和稳定性。通过材料结构优化、界面工程及混合架构等手段实现跨领域整合的设计策略，将成为推动新一代全固态钠电池发展的关键路径。
图2. 固态电池中钠离子在不同类型的材料中的迁移机制。
固态钠电池的发展取决于其关键组件“正极、正极–固态电解质界面、固态电解质、固态电解质–负极界面和负极”的材料/界面设计策略。每个组件在影响电池性能、寿命和安全性方面都发挥着重要作用。有效的材料设计需解决电化学稳定性、机械强度、离子电导率及化学兼容性等根本性挑战，从而显著提升电池整体效率与耐久性。通过对上述五大组件的综合分析，本文提炼出四个核心科学问题（图3A），并针对这些科学难题提出创新性解决方案，以有效推动全固态钠电池的研发进程。在图3B中综述了针对不同材料体系采用的不同的材料设计方案用于优化材料的性能。使对应的材料体系具备快速钠离子传输能力、宽电化学稳定窗口、在机械强度与柔韧性之间取得平衡，并适用于可扩展、低成本的合成工艺。
图3.SSSBs各类材料涉及的（A）科学问题与（B）解决方案策略。
在固态钠电池中，钠金属、固态电解质与阴极之间的界面是决定电池稳定性、循环寿命和安全性的关键因素。如图4A所示，界面问题会引发多种失效模式，包括机械剥离、润湿不良、钠枝晶生长及空间电荷层形成等。解决这些问题需要深入理解根本失效机制，并合理设计界面改性策略。本文系统性地探讨了当前界面工程的主要方法，将其划分为两大维度：界面功能层的设计与优化以及界面反应机制的调控（图4B）。这些策略旨在同时缓解钠金属–固态电解质界面与固态电解质–阴极界面存在的机械、化学及电化学不稳定性。
图4.（A）近期研究总结界面失效的原因，绿色：主要以阴极侧失效为主；蓝色：主要以阳极侧失效为主。（B）SSSBs的结构以及阴极–电解质界面和阳极–电解质界面的主要界面策略示意图。
固态离子学为理解固态材料中的离子及混合离子-电子传输提供了基础理论框架，尤其在能源存储应用领域具有重要意义。该理论最初旨在弥合固态离子导体物理学与应用电化学系统之间的鸿沟，为各类材料中的电荷输运机制提供了关键见解。受Klaus Funke提出的材料科学新范式启发(图5A)，钠离子导体可从结构特征、动态传输特性及历史演进三个维度进行系统分析。然而在实际工作条件下，Na+传输常处于偏离理想化模型的非平衡状态。近年来，不同固态电解质与金属钠的界面反应行为及表征方法已汇总于综述表格中。为准确解读此类复杂行为，直接探测跨尺度钠迁移成为当务之急。本文对固态钠电池界面现象的全面理解依赖于在多尺度上表征材料——每个尺度揭示界面化学、电化学、力学及结构中独特而互补的特征。如图5B所示，SSSB的失效与动态过程在原子尺度、纳米尺度、微观尺度及宏观尺度均有体现。各尺度涵盖特征现象，包括电荷重分布、界面反应、枝晶演变及体相结构变形。因此，全面梳理这些尺度的表征方法对于阐明界面失效根源、验证改性策略以及实现稳定界面的理性设计至关重要。文章详细介绍了先进的多尺度表征技术，根据空间分辨率分为四大类，并重点阐述每种技术与固态钠电池特定电化学行为的关联性（图5C）。由于不同尺度同时发生的界面现象种类繁多，稳定高效SSSBs的工程化设计具有固有复杂性。界面展现的进程包括反应机制、界面结构、化学分布及界面完整性，这些进程各自以独特方式导致性能下降。因此，要理解界面行为的基础与实践层面，必须建立全面的多尺度表征框架。本文系统探讨了用于探测从原子到宏观尺度界面行为的技术现状，重点阐述其基本原理、实际应用及其与SSSBs电化学和力学行为的相关性。
图5. （A）Klaus Funke提出的材料体系演化框架。（B）不同尺度下SSSBs的电化学行为。(C) 用于离子传输的多尺度力学表征技术。
如图6所示，原子尺度表征聚焦于电极–电解质界面处的初始化学相互作用与相形成过程。相关技术包括高角环形暗场像扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）等，可直接观测界面化合物及局部键合环境（图6A）。这些工具揭示了在几个原子层内形成的超薄分解层或空间电荷区，这些结构对界面电阻和钠离子脱溶剂化行为具有关键影响。在此尺度下，电荷转移和界面氧化还原反应由初始接触层的结构与化学性质所决定。准确识别钠电镀过程中形成的导电或阻抗界面层，对阐明退化机制及优化界面稳定性至关重要。在纳米尺度下，界面结构从离散原子重排演变为可观测的形态与成分特征（图6B）。原子力显微镜可捕捉表面形貌与力学异质性，这些特征与枝晶析出起始及界面粗糙度直接相关。飞行时间二次离子质谱技术（TOF-SIMS）通过高分辨率元素成像与深度剖析，揭示界面约100 nm范围内局部扩散与反应区域。这些技术揭示了电化学隔膜（SEI）形成与元素迁移的空间变化，阐明了非均匀相分布如何导致热点形成与局部失效。高分辨率电子显微镜则通过揭示阻碍离子渗透的纳米孔隙、界面空洞及纳米晶域，补充了上述观测结果。微尺度表征揭示了扩展界面区域的化学与结构异质性（图6C）。截面场发射扫描电子显微镜成像揭示了形态演变过程，包括微裂纹和界面剥离现象；能谱成像则识别出跨越数微米的元素梯度和广域反应区。这些特征通常源于循环过程中产生的界面应力、机械失配或层间断裂。微CT技术可实现对体相内部空隙形成、钠离子损耗及枝晶蔓延的无损可视化。综合来看，这些方法揭示了微尺度不均匀性与物理接触不良是全电池配置中电阻增大及容量衰减的主要驱动因素。宏观层面通过电化学与成像技术实现界面完整性的整体评估，将局部现象整合至全电池尺度（图6D）。EIS与GITT可量化循环过程中的总界面电阻及动力学限制，反映相间生长、接触损失和传输瓶颈的累积效应。光学/中子成像技术可实时追踪钠离子分布与枝晶演变，提供电镀均匀性与结构失效的空间分辨证据。这些技术为电池级性能提供关键反馈，使界面劣化与实际指标（包括阻抗增加、库仑效率衰减及最终短路）建立关联。
图6. 从（A）原子尺度（B）纳米尺度（C）微观尺度（D）宏观尺度四个角度概括不同类型的表征技术。
综上所述，本综述全面总结了SSSBs的进展，并按五大组件进行分类：正极、正极–固态电解质界面、固态电解质、负极–固态电解质界面以及负极。第二部分阐述了离子传输与固态界面行为的基本原理，重点强调了电极–电解质不相容性、相间演变及机械不稳定性带来的固有挑战。从材料设计角度看，固态电解质的结构定制与电极材料的功能化工程已成为缓解界面劣化的有效途径。除材料选择外，界面改性策略（调控界面反应与构建人工界面）可进一步控制界面动力学及化学-机械耦合。为验证这些策略，我们强调了多维度先进表征技术的重要性。从原子分辨率显微镜到宏观评估的综合方法，共同实现了界面结构与电池性能的关联性研究，从而指导未来界面设计。因此，本综述为固态钠电池界面结构的优化提供了系统性框架。同时将从材料设计、界面策略及表征技术三大维度（图7）展望固态钠电池界面工程的未来发展方向。
图7. 固态钠电池界面工程的三大视角(材料设计、界面策略与表征技术)展望。
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