三峡大学杨学林&西安理工大学李喜飞&深圳大学王任衡ACS Nano:亲钠合金籽修饰碳骨架抑制“死钠”助力高稳定钠金属电池

【研究背景】

钠金属电池因其资源丰富、成本低廉和高能量密度，被认为是下一代储能技术的重要发展方向。然而，钠金属负极在实际应用中面临诸多挑战，尤其是钠沉积不均匀、体积膨胀剧烈、副反应严重，以及“死钠”的积累问题。死钠的形成不仅降低了库伦效率，还会引发枝晶生长，导致电池性能迅速衰减甚至失效。因此，如何构筑高效的亲钠骨架，实现钠的均匀沉积与可逆剥离，是推动钠金属电池研究发展的关键。

【工作简介】

近日，三峡大学杨学林教授联合西安理工大学李喜飞教授和深圳大学王任衡副教授，在国际顶级期刊ACS Nano (影响因子：16.1) 上发表题为“Dead Sodium Suppression Enabled by Sodiophilic Alloy-Seeded Carbon Scaffolds for Stable Sodium Metal Batteries”的研究成果。该工作设计了一种三维多功能钠金属负极骨架，该骨架由葫芦状氮掺杂碳纳米纤维和石榴状多孔ZnNi合金颗粒复合而成（Zn/Ni@NCF）。研究表明，ZnNi合金颗粒具有强亲钠性，能够显著降低钠的成核过电位（低至8 mV），并引导钠均匀沉积在纤维内部和表面。同时，合金内部的孔隙结构提供了充足的缓冲空间，有效抑制了死钠的形成和枝晶生长。理论计算与原位/非原位表征进一步揭示，该结构通过协同调控离子流分布和沉积行为，实现了钠的高度可逆沉积/剥离。电化学测试表明，Zn/Ni@NCF电极在对称电池中稳定循环超过3200小时，库伦效率平均高于99.6%。与NFM正极匹配的全电池在1C下循环200圈后容量保持率高达90.4%。此外，组装的无负极软包电池在高电流密度下仍表现出优异的容量和稳定性，展示了该策略在实际应用中的潜力。

【要点解析】

要点一：通过溶剂热法合成ZnNi前驱体，再结合静电纺丝和热还原，成功制备出ZnNi合金均匀嵌入氮掺杂碳纤维的三维自支撑骨架。

图1. Zn/Ni@NCF的制备流程与结构表征。

要点二：Zn/Ni@NCF表现出低的钠成核过电位（8 mV）和超高的库伦效率（>99.6%），且在不同电流密度和面容量下均展现出优异的循环稳定性。

图2. Zn/Ni@NCF的钠沉积/剥离性能。

要点三：ZnNi合金颗粒对钠具有强的吸附能力，COMSOL模拟与原位光学显微镜观察进一步证实其能均匀化钠离子流，抑制枝晶生长。

图3. 亲钠性分析与沉积行为模拟。

要点四：Zn/Ni@NCF在循环后表面无死钠残留（远胜对照组），且合金结构保持完好，显示出极高的结构稳定性与可逆性。

图4. 循环后Zn/Ni@NCF的结构与成分分析。

要点五：对称电池中，Zn/Ni@NCF-Na电极在1 mA cm^-2下稳定循环超过3200小时，极化电压仅约24 mV，性能优于大多数已报道的钠金属负极。

图5. 对称电池性能对比。

要点六：贫钠全电池在1C下循环200圈容量保持率高达90.4%，同时无负极软包电池在1C下循环100圈后容量保持率达84%，展示了良好潜力。

图6. 全电池与软包电池性能。

【结论】

本研究成功设计并构建了一种由亲钠ZnNi合金颗粒和氮掺杂碳纤维组成的多功能三维自支撑骨架（Zn/Ni@NCF），显著提升了钠金属负极的循环稳定性和可逆性。该结构通过强亲钠性、均匀离子流调控和空间限域效应，有效抑制了死钠和枝晶的形成。结合理论计算和多尺度表征，揭示了其优异性能的内在机制。最终，基于Zn/Ni@NCF的全电池和软包电池展现出较佳的倍率能力和循环稳定性，为高稳定钠金属电池的实用化提供了新的设计思路。

【文章链接】

Dead Sodium Suppression Enabled by Sodiophilic Alloy-Seeded Carbon Scaffolds for Stable Sodium Metal Batteries

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c19488

【通讯作者介绍】

杨学林，二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长，湖北省电池标准化技术委员会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，省政府专项津贴专家，储能新材料湖北省工程实验室主任，三峡大学材料与化工学院党委书记、分析测试中心主任、储能技术研究院院长。2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，同年加入三峡大学从事储能电池材料研究。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文150余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，与企业共建新型石墨材料国家地方联合工程研究中心、储能新材料湖北省工程实验室等科技平台，为宜昌新能源和新材料产业创新发展起到了积极推动作用。

李喜飞，西安理工大学教授（二级）、博导，材料科学与工程学院院长，国务院政府特殊津贴专家，从事新能源二次电池的改性与应用研究，已发表SCI论文450余篇，包括ESI 高被引论文76篇，SCI引用次数31000余次，H因子96。入选国家级人才、2018~2024年科睿唯安“全球高被引科学家”、2021~2024年爱思唯尔“中国高被引学者”和英国皇家化学会会士等，被授予国家有突出贡献中青年专家、全国石油和化工优秀科技工作者等，获陕西省自然科学二等奖（1/6）和中国石化联合会科学技术二等奖（1/10）等。担任国际电化学能源科学院副主席、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任、中国石油与化工联合会化工新材料专委会副主任、中国化学会电化学专委会委员和国际期刊Electrochemical Energy Reviews（影响因子：36.3）执行主编等，主持国家自然科学基金合作创新研究团队项目课题、国家自然基金面上项目和国家重点研发计划子课题等30余项科研项目。

王任衡，博士毕业于中南大学，随后在新加坡南洋理工大学Xiaodong Chen教授课题组从事博士后科研工作，目前就职于深圳大学，入选广东省博士博士后100名创新人物、深圳市海外高层次孔雀人才、深圳市高层次人才和深圳市南山区领航人才，兼任中国科协科技人才奖项评审专家、教育部学位中心学科评估专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、广东省高校科技成果转化专家、深圳市储能标准技术委员会委员等，担任Rare Metals、eSciences、SmartMat等期刊青年编委，主持国家、广东省、深圳市等10个项目。共发表SCI论文52篇，IF>10有25篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.(2篇)、Matter、Adv. Funct. Mater. (3篇)、ACS Nano(4篇)等国际知名期刊，申请专利25项，授权11项。主要研究方向为光电功能材料与器件、能量转换与存储。