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广东工业大学张伟&国科大杭高院黄少铭教授团队AM：P-block化合物嵌入SEI可在低温钠金属电池中实现超稳定的电池循环

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2025-12-10

导读：广东工业大学张伟&国科大杭高院黄少铭教授团队AM：P-block化合物嵌入SEI可在低温钠金属电池中实现超稳定的电池循环

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文章信息

P-block化合物嵌入SEI可在低温钠金属电池中实现超稳定的电池循环

第一作者：谢思科，黄昱杰

通讯作者：黄少铭*，张伟*，黄洋洋*，彭健*

单位：广东工业大学，国科大杭高院

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研究背景

钠金属负极的商业化进程受限于三大固有科学与工程瓶颈：其一，钠金属的无宿主沉积特性导致充放电过程中体积膨胀率超300%，易引发固体电解质界面（SEI）破裂、电极粉化及电流分布不均，进而诱发钠枝晶生长；其二，钠的低最低未占分子轨道（LUMO）能级与高化学活性，会与电解液发生持续副反应，形成厚度不均、机械强度差且离子导电性低的SEI膜；其三，传统SEI在高电流密度（>2.0 mA cm⁻²）下离子传输动力学无法匹配钠沉积速率，且低温环境（<-20 ℃）下SEI阻抗显著激增，导致电池循环寿命短、库仑效率（CE）低且存在短路风险。上述问题共同制约了SMBs的实用化进程，亟需开发兼具亲钠性、界面稳定性与低温适配性的负极调控策略。

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文章简介

近日，广东工业大学张伟副教授/杭州高等研究院黄少铭教授团队，提出一种基于p区化合物原位构建多功能界面的创新策略，成功制备出NiTe₂纳米晶锚定的N掺杂碳空心微球（NiTe₂@NC）复合材料。该材料通过喷雾热解-聚吡咯（PPy）包覆-原位碲化的分步工艺合成，在电化学活化过程中可原位生成含亲钠相Na₂Te与导电金属Ni的p区基质，实现对SMAs枝晶生长、体积膨胀与界面稳定性的协同调控。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials 上

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本文要点

要点一：构筑p区化合物改性空心多孔结构，实现结构与界面协同优化

以蔗糖、硝酸镍（Ni(NO₃)₂・6H₂O）和碳酸氢钠（NaHCO₃）为原料，经喷雾干燥、稳定化处理得到三维网络化碳微球前驱体；通过 FeCl3引发吡咯单体聚合形成 PPy 包覆层，再经高温碲化反应，最终制备出 NiTe₂纳米晶均匀分散的 N 掺杂碳空心微球（NiTe₂@NC）。这种分级多孔空心结构兼具多重优势：提供充足的钠沉积空间以缓解体积膨胀，加速电解液浸润，降低局部电流密度；N掺杂碳基质与NiTe₂的协同作用提升了材料导电性和反应活性位点数量。

图 1. NiTe₂@NC 的合成过程及形貌结构表征。a) 合成示意图；b) Ni@C 中间体 SEM 图；c) NiTe₂@NC SEM 图；d) NiTe₂@NC TEM 图；e) SAED 图谱；f-g) HRTEM 图（插图为晶格间距）；h-i) 元素 mapping 图；j) XRD 图谱；k-l) Ni 2p 和 Te 3d 高分辨 XPS 图谱。

要点二：NiTe₂@NC基钠金属电池展现卓越电化学性能，低温稳定性突出

电化学测试结果表明：NiTe₂@NC电极在半电池体系中，在1.0 mA cm⁻²/1.0 mAh cm⁻²条件下循环1000次，平均CE达99.79%；对称电池在相同条件下稳定循环5000 h，即便在5.0 mA cm⁻²/5.0 mAh cm⁻²的高倍率/高容量工况下，仍可循环超2300 h。将其与Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇（NFPP）阴极组装全电池，在10.0 C高倍率下循环1200次后容量保持率达96.1%（103.9 mAh g⁻¹）；更重要的是，该全电池在−20与−40 ℃低温环境下，仍分别维持≈100%与>90%的容量保持率，突破了SMBs的低温应用瓶颈。

图 2. NiTe₂@NC和NC电极在0.5 mA cm⁻²下的成核过电位。b）1.0 mA cm⁻²和1.0 mAh cm⁻²和c）5.0 mA cm⁻²和5.0 mAh cm⁻²时的库仑效率。NiTe₂@NC@Na和NC@Na对称电池在d）1.0 mA cm⁻²和1.0 mAh cm⁻²以及e）5.0 mA cm⁻²和5.0 mAh cm⁻²中的恒电流沉积/剥离电压曲线。在用于Na金属电池的各种宿主之间的对称电池中的电化学性能的比较。g）在各种电流密度下NiTe₂@NC@Na和NC@Na电极的对称电池的倍率性能。h）在20、100和200小时后NiTe₂@NC@Na对称电池的奈奎斯特图。i）NiTe₂@NC的塔菲尔曲线。j）Na离子扩散的活化能。

图 3. a）NiTe₂@NC@NaNFPP全电池的示意性配置。b）NiTe₂@NC@Na||NFPP全电池在2.0 V和4.0 V之间的不同扫率下的CV曲线。c）全电池的倍率性能。d）全电池在1.0 C的电流速率下的循环性能。e）全电池的恒电流充电/放电曲线。f）全电池在10.0 C下的循环性能。g）NiTe₂@NC@Na||NFPP和NC@Na||NFPP全电池在循环之前的EIS曲线。h) -20℃下全电池的倍率性能。低温下1C电流密度时全电池的循环性能i）-20℃，j）-40℃。

要点三：多重表征与理论计算揭示多重协同稳定机制

通过非原位 XRD、XPS、拉曼光谱及密度泛函理论（DFT）计算，明确了 NiTe₂@NC 的稳定机制：原位生成亲钠相与导电网络：电化学活化过程中，NiTe₂与Na发生反应（NiTe₂+ 4Na → 2Na₂Te + Ni），原位形成高亲钠性的Na₂Te和高导电金属Ni。Na₂Te降低钠成核能垒，Ni构建连续电子传输通道，二者协同引导钠均匀沉积（拉曼mapping证实钠沉积无枝晶）。Na₂Te参与构建梯度无机富SEI层强化，形成外层有机、内层无机的梯度结构。该SEI的杨氏模量达4.3 GPa，能有效抵御枝晶穿刺；更低的离子扩散能垒促进，加速离子传输，避免局部离子浓度过高引发枝晶生长。结构与界面协同缓冲，空心多孔碳基质缓解体积膨胀，Te的p区元素特性（低电负性、弱键合作用）加速反应动力学，Ni 的高导电性与Na₂Te的离子传输优势协同提升电荷转移效率，实现结构稳定性与电化学动力学的双重优化。

图4. a）在初始沉积/剥离期间NiTe₂@NC电极的非原位XRD图案。放电至0.1V后NiTe₂@NC的高分辨率XPS光谱：b）Ni 2p，c）Te 3d。d）NiTe₂@NC电极在0.5 mA cm⁻²下的电压-时间曲线，沉积/剥离面积容量为10.0 mAh cm⁻²。e）不同沉积容量的NiTe₂@NC和NC电极上钠沉积的SEM形貌演变。f）NiTe₂@NC电极上沉积/剥离过程中的拉曼Mapping光谱。

图5. a)在蚀刻30 nm的深度下，NiTe₂@NC电极的Te 3d的高分辨率XPS光谱。b）在不同蚀刻深度下，NiTe₂@NC@Na电极的C 1 s、F 1 s和Na 1 s的高分辨率XPS光谱。c）Na₂Te和NaF的能垒的比较（插图：Na⁺在Na₂Te和NaF中扩散路径的侧视图）d）NiTe₂@NC和NC电极的杨氏模量测量e）Na⁺在C、Na₂Te和Ni表面上的吸收能。f）吸附在C、Na₂Te和Ni团簇上的Na原子的几何优化的原子构型。g）NiTe₂@NC和NC的态密度。h）NiTe₂@NC电极增强稳定性并促进均匀Na沉积的机制的示意图。

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总结

本研究提出中空分级多孔NiTe₂@NC复合材料在电化学活化过程中形成的p-block基质被构造为SMA的功能化宿主。p-bolck化合物NiTe₂的电化学活化原位生成了具有亲钠活性的Na₂Te和高导电性的Ni，这一过程显著降低了钠的成核势垒，并形成了双连续的离子/电子网络，使钠的沉积更加均匀。Na₂Te参与形成具有增强的机械强度和离子导电性的富含无机物的SEI，非原位SEM和拉曼光谱进一步验证了NiTe₂@NC上钠离子分布均匀和无枝晶的沉积行为。改性复合负极在恶劣条件下实现了出色的循环稳定性。这项工作提供了一个合理的设计范例，高性能钠金属负极通过协同调制基板化学和界面性能。

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文章链接

P-Block Compounds Incorporated into SEI Enable Ultra-Stable Cell Cycling in Low-Temperature Sodium-Metal Batteries

https://doi.org/10.1002/adma.202518384

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通讯作者简介

黄少铭教授：国科大杭高院博导，国家杰出青年基金获得者。

国科大杭州高等研究院教授、博导，国家杰出青年获得者。长期致力于低维材料和器件应用的基础研究和技术研发。1999年以来发表学术论文450多篇，包括Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater., Phys. Rev. Lett.等国际一流期刊，论文被引用近2.5万次，H指数76。获省部级奖3项，申请发明专利近百件，授权50多件。入选科睿唯安全球高被引和前2%顶尖科学家。

个人主页：http://clnyxy.gdut.edu.cn/info/1111/4389.htm

张伟副教授 广东工业大学材料与能源学院

广东工业大学材料与能源学院，一直以来致力于新能源材料与器件的研究工作，在锂/钠/钾离子电池负极材料和锂离子固态电解质方面有着丰富的积累。目前，以第一作者和通讯作者身份已在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、J. Energy Chem.、Small、J. Mater. Chem. A、等国际一流学术期刊上发表30多篇科研论文，并授权发明专利7项。先后承担国家自然科学基金，广东省联合基金和广东省面上等项目。