东南大学巩峰与肖睿教授团队Nano Energy：基于生物质碳界面调控，揭示氧官能团对室温钠硫电池CEI形成及空间分布的诱导机制

第一作者：张凯

通讯作者：巩峰*，肖睿*

单位：东南大学

室温钠硫（RT Na–S）电池以其高理论容量、丰富钠资源和优越的成本效益，被视为下一代储能体系的有力候选者。然而，其推广受限于正极电解质界面带来的显著挑战。正极电解质界面层（CEI）作为连接电极材料与电解液的关键物理化学界面，其化学成分与空间分布直接决定了电池的循环稳定性与快充能力，因此对其实现可控构建至关重要且颇具挑战性。尽管当前研究多集中于电解质设计，但往往忽视了电极微结构作为界面反应物理载体的主导作用。事实上，电极表面官能团能通过调控界面亲和性显著影响成膜机制，然而目前关于碳基底表面氧官能团在碳酸酯类电解质中如何定向诱导CEI生长，仍缺乏清晰的微观机理认知与系统性理论框架。因此，基于电极表面化学视角，解析碳基底表面官能团与CEI微观结构之间的构效关系，对于突破RT Na–S电池性能瓶颈具有重要的理论与工程指导意义。

近日，来自东南大学的巩峰与肖睿教授，在国际期刊Nano Energy上发表题为“Unraveling the role of oxygen functional groups in inducing the spatial distribution of the cathode–electrolyte interphase in room-temperature sodium–sulfur batteries”的文章。该文章分析了正极表面氧官能团在调控室温钠硫电池CEI微观结构及空间分布中的关键作用。研究团队以富氧酶解木质素为前驱体，制备了富含氧官能团的多孔碳模型材料。通过对比富氧与贫氧碳基底，并结合实验表征与密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了氧官能团作为“适度活性位点”调控界面吸附与扩散竞争的作用机制。研究发现，表面氧官能团能够诱导电解液组分形成“促进成核-允许扩散”的沉积模式，从而构建出致密、均匀且富含纳米无机晶体的有机-无机杂化CEI层。这一理想界面确立了高效的界面传输动力学：通过物理屏障作用有效抑制多硫化物穿梭，同时化学优化降低了Na⁺传输能垒，从而大幅提升界面传质效率与电荷转移速率。这为突破室温钠硫电池的性能瓶颈提供了基于表面化学调控的全新解决方案。

长期以来，RT Na–S界面结构的优化策略主要局限于电解液侧的改性（如溶剂筛选、添加剂工程等），而往往忽视了电极本体作为界面反应物理载体的作用。本研究创新性地转换了研究视角，将酯类电解质溶剂视为“界面反应物”，并选取具有可调表面化学性质（富氧vs.贫氧）的生物质衍生多孔碳作为模型基底。通过这一设计，研究团队成功跳出了传统电解液改性的思维定式，将CEI的研究焦点引向了电极材料本身的表面化学调控。这一转变不仅填补了关于碳基底表面官能团如何影响碳酸酯体系成膜机制的认知空白，更证明了通过电极表面工程“定制”CEI的可行性，为解决金属-硫电池界面难题开辟了独立于电解液设计之外的第二条路径。

1. XPS组分分析结果显示，富氧表面（LDPC-O/S）生成的CEI拥有均衡的有机/无机组分；相比之下，贫氧表面（LDPC-H/S）的CEI则表现出过度生长的无机相（如大块聚集的NaF和Na₂CO₃），且有机低聚物含量显著降低。
2. TEM微观形貌表明LDPC-O/S诱导形成了致密、连续且均匀的有机-无机杂化膜，无机物呈纳米晶状态弥散分布，构建了快速离子通道；而LDPC-H/S表面则覆盖着粗糙、不连续的钝化层，充斥着大尺寸、团聚的无机结晶。

研究团队采用原位EIS结合DRT分析技术，解耦了复杂的界面电化学过程，揭示了两种电极表面不同的CEI演化轨迹。

1. 成膜动力学（首圈放电）：DRT结果显示，富氧LDPC-O/S的界面阻抗（D2峰）随放电进行显著降低，表明含氧官能团作为均匀成核位点，促进了高离子电导率CEI的快速形成；而贫氧LDPC-H/S的界面阻抗始终维持高位，暗示形成了高阻抗的钝化层。
2. 长期稳定性（500圈循环）：在长循环过程中，LDPC-O/S与CEI传输相关的D3峰强度保持较低且相对稳定，证明其界面结构稳定，有效抑制了电解液的持续分解；相反，LDPC-H/S的D3峰随循环持续显著升高，揭示了其CEI层不断增厚、离子扩散受阻的失效机制。

对于贫氧的LDPC-H表面，高活性的本征碳缺陷位点对电解液组分（如FEC和PC）表现出过强的吸附能，引发了显著的“陷阱效应”：反应前驱体被牢牢“钉扎”在局部，极高的表面扩散能垒导致其无法有效迁移，从而迫使无机相在少数位点原位堆积并过度生长，最终形成粗糙且分布不均的大颗粒聚集体。与之形成鲜明对比的是，LDPC-O表面大量的含氧官能团扮演了“适度活性位点”的角色，有效钝化了碳骨架的高反应活性，将吸附强度调节至较佳范围。这种“平衡之道”成功构建了独特的“促进成核-允许扩散”机制：它既提供了足以诱导反应的成核驱动力，又保留了反应物种在表面的迁移自由度，从而促使无机物种在广阔的表面上实现均匀的多点形核与生长，最终构筑出理想的致密纳米晶CEI结构。

Unraveling the role of oxygen functional groups in inducing the spatial distribution of the cathode–electrolyte interphase in room-temperature sodium–sulfur batteries

肖睿，东南大学能源与环境学院教授，博士生导师，院长，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，江苏省能源研究会理事长，中国可再生能源学会生物质能专委会副理事长。担任Fuel Processing Technology副主编，International Journal of Greenhouse Gas Control、《太阳能学报》等10余种刊物编委。主要研究方向为生物质与固废高值化利用与二氧化碳捕集与利用。在Science，Nature Communications，Nature Chemical Engineering等期刊发表论文500余篇，论文被SCI他引15000余次，授权国家发明专利100余件，美国发明专利2件，申请PCT专利8件。以第一完成人身份获得国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项，以主要完成人身份获其他省部级奖5项。

巩峰，东南大学能源与环境学院教授，博士生导师，副书记兼副院长，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室副主任，国家级青年人才。主要研究方向为生物质衍生储能材料与器件，以及可再生能源制备碳中和燃料。在Nature Communication，Nano Energy，Advanced Materials等知名期刊发表文章100余篇，总引用6000余次，H-index 43。申请发明专利26项；主持国家自然科学基金2项、国家重点研发项目课题1项、子课题2项，省部级项目5项，企业委托项目等10余项。