产业/学术双丰收！电池大佬王春生高徒，复旦大学「国家高层次人才」王飞，最新Nature子刊！

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钠离子电池被视为下一代储能体系，但能量密度受限。其中，无负极钠电池（AFNB）可缓解该问题，却因钠沉积/剥离不均而受阻，尤其在高倍率和低温条件下。

在此，复旦大学王飞教授，孙大林教授和阮佳锋博士等人提出一种氟化亲钠界面策略，以实现高倍率、低温AFNB。系统比较表明，含钠合金金属、高钠吸附能且晶格失配小的界面可在高电流密度下诱导均匀球形钠沉积，原位生成的氟化钠增强界面机械强度并调控钠沉积。优化后的BiF₃衍生界面使钠沉积/剥离稳定运行超 2800小时，平均库仑效率99.90%，支持20 mA cm^-2高倍率，并在−30 °C低温下仍具适应性。与Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇正极匹配后，AFNB全电池在25 °C 下比功率为8257.5 W kg^-1，−30 °C 下为 486.9 W kg^-1（基于活性物质质量）。组装的软包电池可在7 C高倍率（1 C=100 mA g^-1）下稳定循环，该工作为初期无负极钠电池技术的推进提供了战略框架。

相关文章以“Fluorinated sodiophilic interphase for high-rate and low-temperature initially anode-free sodium battery”为题发表在Nature Communications上！值得注意的是，王飞教授创办的隐功科技成立于2023年12月，公司总部坐落于苏州张家港，凭借全球领先的“无负极”电池技术，在钠电领域迅速崭露头角，加速推动钠电核心科技的革新。年初，隐功科技宣布完成近亿元级Pre-A轮融资。据了解，隐功科技已开启2025年Pre-A+第二轮融资。

王飞，复旦大学材料科学系教授，于复旦大学获得博士学位，随后在马里兰大学（合作导师：王春生教授及许康研究员）、麻省理工学院（合作导师：Yet-Ming Chiang教授）从事博士后研究。入选国家级和上海市海外高层次青年人才引进计划。主要从事电极/电解液的表界面调控和反应机制研究，在电解液的设计与合成、界面结构分析与改进、界面电化学反应机理研究方面具有扎实的工作基础，通过电解液和界面改性开发出一系列新型电池器件。作为项目负责人主持科技部重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金青年/面上/国际合作项目、上海市“科技创新行动计划”高新技术领域项目等。以第一作者或通讯作者身份在Science、Nat. Mater.、Nat. Sustain.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Sci. Adv.等期刊发表论文60余篇，引用18000余次，H指数53。

钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、安全性高而被视为锂离子电池的潜在替代品，但其能量密度较低，限制了大规模应用。“无负极钠电池”（AFSBs）摒弃传统硬碳负极并减少电解液用量，可最大化钠基体系的能量密度（图1a）。然而，该结构依赖钠在集流体上的沉积/剥离，动力学迟缓，且脆弱的固态电解质界面（SEI）在反复非均匀沉积/剥离中开裂、重构，导致容量衰减。高倍率或低温条件下，极化加剧、钠枝晶生长，可逆性进一步恶化（图1b）。尽管已探索3D宿主、亲钠金属、人工SEI等改性策略，但功率密度突破10³ W kg^-1 的AFSBs仍罕见，低温场景研究更是匮乏，界面设计准则缺失。因此，面向高功率、低温AFSBs的界面设计已成为关键研究前沿，有望释放该技术的全部潜力。

本文选用多种金属氟化物涂覆铝箔（MF_x@Al）。裸铝在首次钠化时形成脆弱SEI，低电流下即出现非均匀钠沉积，继续沉积将破坏界面（图1c）。MFx@Al兼顾机械强度与亲钠性，但高倍率耐久性取决于金属种类：非合金型金属氟化物界面与Na亲和力低，高倍率下发生不可逆钠损失（图1d）；而Na-合金型金属衍生的亲钠界面促进均匀钠沉积，显著提升高倍率性能（图1e）。

图1：高倍率无负极钠电池的氟化亲钠界面设计

金属氟化物原位转化产物的影响

为阐明金属氟化物原位转化对钠沉积行为的影响，将FeF₃、CoF₂、NiF₂（不可合金化）与ZnF₂、SnF₂、BiF₃（可合金化）涂覆铝箔，在醚类电解液中测试。首次放电出现~0.5 V 平台，对应MF_X被Na⁺还原生成NaF与Na-合金相；随后0 V以下平台反映钠形核/沉积。形核与沉积过电位越低，CE越高。BiF₃@Al的过电位最低（2.5/3.1 mV），平均CE达99.85%，显著优于其余样品。DFT表明，BiF₃衍生Na₃Bi界面兼具最高钠吸附能（–1.12 eV）与最低晶格失配（13.1%），而ZnF₂虽吸附能较高，但61%失配导致性能下降。高倍率测试（5–30 mA cm^-2）中，仅BiF₃@Al保持99.7% 以上CE并稳定循环300圈以上。SEM显示，裸Al与CoF₂@Al出现针状钠枝晶；ZnF₂@Al球形钠在高电流下塌陷。BiF₃@Al则始终呈现均匀球形钠。有限元模拟证实BiF₃@Al电流密度分布最均匀，有效抑制枝晶。综上，BiF₃衍生界面凭借高亲钠性与低晶格失配，实现快速、均匀钠沉积，是高功率无负极钠电池的理想界面改性剂。

图2：金属氟化物中间层对钠沉积行为的影响

高电流密度下，无负极钠电池的SEI性质决定其性能。XPS深度剖析表明，循环20次后，BiF₃@Al表面SEI的有机组分（C–O、RO–COONa）显著低于裸铝，且随刻蚀深度增加碳含量迅速下降，说明NaF抑制了醚基电解液分解。F 1s 与 Na 1s 谱显示，BiF₃@Al的NaF含量达15.9%，远高于裸铝的8.0%，且刻蚀后升至28.3%，而裸铝仅7.5%，证实原位NaF富集。元素原子比进一步证明BiF₃引入提高了SEI中无机比例，增强机械强度。HR-TEM、SAED与XRD共同揭示BiF₃转化为Na₃Bi与NaF，形成富含NaF、亲钠的含Bi界面，从而有效调控钠均匀沉积。

SEM显示，BiF₃@Al在各电流/容量下均形成致密、光滑、无裂纹的钠层，厚度随电流增加变化极小（27.3→33.9 μm），而裸铝则呈疏松针状并出现裂纹，高倍率下厚度达168μm。EDS证实BiF₃@Al钠分布均匀。原位光学显微镜观察到裸铝枝晶脱落，BiF₃@Al沉积均匀；原位厚度测试表明其单位容量膨胀仅2.94 mm Ah^-1，远低于裸铝的 5.28 mm Ah^-1。剥离实验显示，10 mA cm^-2下裸铝残留大量“死钠”，BiF₃@Al几乎无残留；循环50次后BiF₃钠化产物仍均匀稳定。综上，BiF₃衍生界面通过抑制枝晶、缓解体积膨胀并促进完全剥离，实现了高可逆钠沉积/剥离。

图3：裸Al和BiF₃@Al表面SEI的性质及Na的生长行为

在不同条件下BiF₃@Al上钠的可逆沉积/剥离

BiF₃@Al在1 mA cm-2、1 mAh cm-2下循环1400圈，平均CE达99.90%，远高于裸铝的330圈。形核/沉积过电位仅2–4 mV，显著优于裸铝15–25 mV。高容量5 mAh cm^-2时，BiF₃@Al 800 h内CE 99.59%，裸铝400 h即失效。同时，高倍率2–20 mA cm^-2下，BiF₃@Al CE仍保持99.80–99.95%，裸铝波动剧烈。−30 °C低温下，BiF₃@Al形核过电位降至3.6 mV，300圈CE达99.98%，裸铝则软短路。更换−40 °C不冻电解液后，Na||BiF₃@Al依旧稳定运行。综上，BiF₃衍生界面在高电流、高容量及低温条件下均能实现钠的可逆沉积/剥离。

图4：裸Al与BiF₃@Al上的可逆性沉积/剥离行为

高功率和低温BiF₃@Al||Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇ AFSBs的性能

优化的BiF₃衍生界面兼具快速动力学与高可逆性，使BiF₃@Al集流体实现2800 h以上稳定沉积/剥离，平均库仑效率99.90%，支持 20 mA cm^-2高倍率，并在−30 °C低温下正常工作。同时，匹配Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇正极的全电池在25 °C下比功率达 8257.5 W kg^-1（比能量 112.4 Wh kg^-1），−30 °C下仍保持 486.9 W kg^-1（80.7 Wh kg^-1），在 1 C和−30 °C条件下循环超1600圈。组装的软包电池可在7 C高倍率下稳定运行。该研究为高功率AFSBs的界面设计提供了新思路，并指明其未来发展方向。

图5：BiF₃@Al||Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇无负极钠电池的电化学性能

综上所述，本文提出了一种面向高功率无负极钠电池的氟化物亲钠界面设计策略。通过对六种金属氟化物的化学、晶体学和电化学性能进行系统比较，BiF₃因具有最高的亲钠性而被确定为最优改性剂。SEM和有限元分析证实，在高电流密度下BiF₃@Al能够实现均匀的钠形核。借助XPS深度剖析、HR-TEM、XRD、AFM 及理论计算，确认了原位生成的NaF 在缓解体积膨胀和调控钠生长过程中的关键作用。因此，Na||BiF₃@Al电池展现出超长循环寿命（>2800 h）、高倍率性能（20 mA cm^-2）以及低温适应性（−30 °C下平均库仑效率 99.98%）。

此外，BiF₃@Al||NFPP全电池不仅在25 °C下实现284.7 Wh kg^-1的比能量和8257.5 W kg^-1的比功率，在−30 °C下仍分别达到200.8 Wh kg^-1和486.9 W kg^-1，并在−30 °C下稳定循环超过1600次。BiF₃@Al||NFPP软包电池在7 C高倍率下运行，且正极具有实用级质量负载，凸显其商业化潜力。本研究为实现高倍率、低温稳定运行的无负极钠电池提供了思路，并推动其商业化进程。

Mingxu Wang, Jinyu Yang, Haoran Ji, Ziyue Li, Fengmei Wang, Fang Fang, Jiafeng Ruan*, Dalin Sun*, Fei Wang*, Fluorinated sodiophilic interphase for high-rate and low-temperature initially anode-free sodium battery, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-025-66965-5

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