西南大学牛玉斌、徐茂文ESM：协同优势面与同源碳包覆实现Na2CO3高效预钠化

第一作者：林锡涛，刘晶

通讯作者：牛玉斌*，徐茂文*

单位：西南大学

钠离子电池（SIBs）凭借与锂离子电池相似的电化学特性及钠资源丰富等优势，成为大规模储能系统的理想候选，但首圈循环中活性钠离子流失严重制约其应用。这种流失主要由电解质分解形成SEI/CEI界面层、硬碳阳极结构缺陷导致的不可逆吸附，以及高压阴极副反应消耗钠离子引起，显著降低能量密度和循环寿命。为解决此问题，预钠化技术（尤其是阴极补偿添加剂）因兼容现有工艺而具工业潜力。添加剂分为无机钠盐（如Na3P、NaNiO2）和有机钠盐（如Na2C2O4、Na2CO3），前者在初始充电时氧化释放钠离子，但常残留惰性副产物并存在空气敏感性；后者则具合成灵活性、空气稳定性及气体分解产物优势。理想添加剂需满足低分解电压、高比容量、环境友好及成本效益等特性。然而，导电性仍是关键挑战：例如，Na2C2O4理论容量达400 mAh/g，但分解电压高（3.97-4.41 V）；Na2CO3容量更高（505 mAh/g），却因高分解电压难以优化而少受关注，亟需深入研究以释放其潜力。

近日，西南大学徐茂文教授和牛玉斌副教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Synergistic Dominant Facet and Consanguine Carbon Coating Enable Efficient Na2CO3 Presodiation for Sodium-Ion Batteries”的研究论文。该论文借助于有机钠盐的热分解，选择含氮有机钠盐——亚氨基二乙酸二钠作为前驱体材料，通过在不同温度下进行热分解得到含氮碳层包覆的碳酸钠，使得分解电压降低和不可逆容量增加，借助于同源碳的包覆和KB的高导电性，开发出一种高效的Na2CO3预钠化添加剂。该工程化结构使得碳酸钠电压从4.45 V降低至4.06 V，在采用P2型层状氧化物阴极的半电池中，添加10%重量比的添加剂，初始充电容量从120.9 mAh g−1提升至164.6 mAh g−1，同时显著改善循环稳定性和倍率性能。与硬碳负极配对的全电池展现出更高的能量密度（184.4 vs 214.2 Wh kg−1）。

Na2CO3作为低成本钠补偿添加剂，理论容量高（505 mAh/g），但实际分解电压高达4.45 V，限制其应用。本研究以亚氨基二乙酸二钠（IDA-2Na）为前驱体，通过400℃氩气热解原位构建氮掺杂碳包覆碳酸钠（NCO400）。XRD与DFT揭示其(310)晶面显著择优暴露，钠离子吸附能低至1.98 eV，远低于(112)与(002)晶面，显著降低分解热力学势垒。拉曼表明，NCO400具备高缺陷密度碳层（ID/IG=1.03）。同时，XPS证实吡啶与吡咯氮存在，二者共同强化了电子传导与界面电荷转移。电化学测试表明，NCO400初始容量达489.3 mAh/g，平均分解电压降至3.92 V（降幅12%），容量利用率提升至96.8%，显著优于球磨样品（BM-NCO）与单纯烧结样（H-NCO）。

优化NCO系列钠离子电池阴极材料的导电性与电化学性能。NCO400在0.05 C、4.6 V条件下表现出最高容量利用率（98.6 %）与最低分解电压（4.38 V），其优异性能源于适度热解温度下形成的优质碳网络。进一步通过400°C热解亚氨基二乙酸（IA）进行二次构建同源氮掺杂碳（NC）涂层，为突破导电性瓶颈，引入科琴黑（KB）球磨复合，NCO400@NC@KB实现最低分解电压（4.06 V）与高可逆容量（465.5 mAh g-1），同时保持结构完整性。多项表征证实，NC涂层增强界面接触，KB提升电子传导网络，二者协同显著降低电荷转移阻抗，提升离子扩散速率。该结构不仅保留了(310)晶面优势，更通过连续导电网络显著降低界面电阻，为实现超低电压、高容量钠补偿提供全新材料设计范式，标志着从“单一晶面调控”迈向“核壳结构功能集成”的关键跃迁。

通过FT-IR、XRD、FESEM与XPS联用，系统揭示NCO400@NC@KB电极在充电过程中的钠补偿机制。证明首圈循环后NCO400@NC@KB完全分解的同时，存在气体副产物（如CO2）。XPS分析进一步发现，C-O/C=O的比例有所增加，并且有大量NaF形成，这表明添加剂分解促进了无机相界面成分的生成。

NCO400@NC@KB添加剂在P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2阴极中实现高效钠补偿且不破坏加工性。碳包覆有效抑制碱性浸出，维持浆料pH接近中性，并显著提升分散性。半电池首圈充电容量达164.6 mAh g⁻¹，库仑效率提升至91.7%，100圈循环保持率92.4%（对比体系76.1%）。XPS证实其生成富NaF稳定SEI。全电池中电极膨胀仅≈2 μm，气体可化成排出，实现“补偿-稳定-兼容”三位一体，为高能量密度钠离子电池提供实用解决方案。

Synergistic Dominant Facet and Consanguine Carbon Coating Enable Efficient Na2CO3 Presodiation for Sodium-Ion Batteries

徐茂文教授简介：西南大学教授、博士生导师。研究兴趣为钠离子电池、室温钠硫电池和水系锌离子电池等方面，累计发表高水平SCI论文300余篇，获授权发明专利20余项，转让4项。主持国家级项目4项，教育部重点项目和重庆市重点项目等课题20余项。曾获重庆市自然科学二等奖（R1）等荣誉。

林锡涛，西南大学材料与能源学院硕士研究生，指导教师牛玉斌副教授和徐茂文教授。主要研究方向：钠离子电池补钠剂。在ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater.、Chem. Commun.等期刊发表论文多篇，申请国家发明专利5项。

刘晶，西南大学材料与能源学院硕士研究生，指导教师牛玉斌副教授。主要研究方向：钠离子电池补钠剂。在ACS Energy Lett.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等期刊发表论文多篇，申请国家发明专利2项。