西南大学徐茂文教授AEM：梯度亲钠碳骨架助力低成核阻碍、无枝晶、稳定沉积/剥离钠金属负极

【研究背景】

钠金属负极因其超高的比容量、低氧化还原电位以及钠资源的丰富和普遍分布而受到广泛关注。然而，钠金属负极的实际应用在很大程度上受到其循环稳定性差和安全问题的阻碍。这主要是由于金属钠的不均匀沉积和枝晶生长造成的。为了调节Na沉积行为和实现均匀的沉积剥离，本文提出了一种由石墨化无序程度差异和缺陷浓度差异构筑的“梯度亲钠”碳骨架。这种梯度亲钠碳骨架对金属钠展现出极小的成核过电势，并且可以通过调控钠沉积行为来构建稳定且无枝晶的钠金属负极。

【工作介绍】

近日，西南大学徐茂文教授课题组发表题为“Low-Barrier, Dendrite-Free, and Stable Na Plating/Stripping Enabled by Gradient Sodiophilic Carbon Skeleton”的研究文章。该文章提出了由石墨化无序度差异和缺陷浓度差异构筑的“梯度亲钠”碳骨架。研究发现，这种“梯度亲钠”碳骨架对金属钠展现出极小的成核障碍，也能够引导金属钠的梯度有序沉积，对钠枝晶有明显的抑制作用，能够实现稳定的循环性能和较高的库伦效率。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上。硕士研究生岳亮为本文第一作者。

【内容表述】

1. “梯度亲钠“结构设计及高亲钠性均匀沉积界面

图1. “梯度亲钠“结构示意图；金属钠在梯度结构上进行顺序性沉积过程

图2. 最终产物CMFS与铜箔、铝箔、对比样亲钠性对比

通过简单退火处理得到的“梯度亲钠“结构（CMFS），由石墨化程度和缺陷浓度不同的碳微球和碳纤维构成（图1），碳微球的石墨化程度较低、缺陷浓度更高。CMFS展现出优异的亲钠性，具有极低的成核过电位（7.4 mV）和无枝晶的均匀沉积界面。

2. 金属钠的梯度有序沉积/剥离

非原位扫描电镜研究结果表明，金属钠优先在石墨化程度更低和缺陷浓度更高的碳微球周围发生沉积/剥离，然后在逐渐铺展到碳纤维及电极平面上。这种梯度有序的沉积过程，可以减少金属钠的垂直生长，实现无枝晶钠金属负极。

图3. 非原位扫描电镜观测金属钠进行沉积/剥离形貌；顺序性沉积/剥离示意图

3. 电化学性能

CMFS能够实现稳定的载钠性能，在5 mA cm^-2能实现稳定的循环，库伦效率达到99.96%(图4)。在对称电池测试中（图5），CMFS也能保持极低的磁滞电压（5 mA cm^-2/12 mV），能稳定循环1000h，循环后电极也没有明显的枝晶形成。

图4. 沉积/剥离电化学测试及稳定性对比

图5. 对称电池测试及循环过程中界面形貌对比

【结论】

该工作证明了无序的碳基材料对于实现无枝晶且稳定的 Na 金属负极是有效的。特别是无序碳基体由随机取向的高度无序碳球和相对有序的碳纤维组成，形成独特的“梯度亲钠”结构。结果表明，独特的“梯度亲钠“结构诱导了碳球和碳纤维的连续 Na 沉积/溶解行为。这项工作不仅阐明了提钠金属负极高性能的潜在机制，而且为构建无枝晶且稳定的金属负极提供了新的途径。此外，在这项工作中获得的这些发现强调了一个事实，即具有丰富缺陷的无序碳材料更有利于钠的均匀沉积/溶解。

Yue, L., Qi, Y. R., Niu, Y. B., Bao, S. J., Xu, M. W., Low-Barrier, Dendrite-Free, and Stable Na Plating/Stripping Enabled by Gradient Sodiophilic Carbon Skeleton. Adv. Energy Mater. 2021, 2102497. https://doi.org/10.1002/aenm.202102497

通讯作者：

徐茂文 教授 西南大学材料与能源学院 教授、博士生导师、巴渝学者、重庆英才创新创业领军人才。长期从事能源化学材料与器件研究，主要包括锂/钠离子电池、新型锂/钠硫电池和全固态电池等。目前已取得了一系列研究成果，在Nat. Commun., Adv Energy Mater., Angew.Chem., Adv Funct Mater., Nano Energy等国际知名期刊上发表学术论文230余篇，已获得授权发明专利17项。主持国家自然基金面上项目、教育部重点项目和重庆市重点研发项目等课题10余项。

戚钰若 博士 2019年博士毕业于中科院物理研究所，获得中国博士后创新人才计划支持，在西南大学材料与能源学院徐茂文教授课题组从事博士后研究工作。长期从事钠基电池电极材料的设计及性能调控，在Angew. Chem. Int. Ed., Joule, Nature Communications., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater. 等学术刊物上发表多篇研究论文。

第一作者

岳亮 西南大学材料与能源学院在读硕士研究生，师从徐茂文教授，主要研究方向为钠电池负极。

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