昆明理工大学梁风教授，Nano Energy综述：无负极钠金属电池的最新研究进展

第一作者：刘盼

通讯作者：侯敏杰*，梁风*

单位：昆明理工大学

钠金属电池因钠资源丰富、成本低廉，被认为是大规模储能领域的重要候选技术。然而，传统钠离子电池能量密度普遍较低。采用金属钠负极虽可大幅提升能量密度，却面临加工困难、界面不稳定及安全风险等瓶颈。无负极钠金属电池（ALSMBs）通过取消预存的金属钠负极，在首次充电时于集流体上原位沉积形成超薄钠金属层，可实现超过400 Wh/kg的高能量密度，同时简化电池结构、降低成本并提升安全性。然而，该体系仍面临钠沉积不均匀、固体电解质界面相（SEI）不稳定、枝晶生长以及循环寿命有限等关键挑战。因此，系统梳理ALSMBs的失效机制与优化策略，对于推动下一代高能量密度钠电池发展具有重要意义。

近日，昆明理工大学梁风教授团队在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Research progress of high-energy-density anode-less sodium metal batteries”的综述文章。该文章从ALSMBs的基本结构与工作原理出发，系统剖析了其面临的核心科学问题与技术挑战，并围绕电解质工程、SEI工程、集流体工程三大主线，全面总结了近年来通过调控溶剂化结构、构筑稳定界面及设计多尺度宿主结构以提升电池性能的研究进展。文章最后批判性分析了从实验室纽扣电池走向产业化软包电池所面临的关键障碍，并展望了未来通过多尺度表征、人工智能与跨组件协同设计推动ALSMBs实用化的研究方向。文章为高能量密度、长寿命无负极钠金属电池的研发提供了系统的理论框架与技术路径。

电解质是决定钠沉积行为、SEI组成及电化学稳定性的首要因素。本文深入对比了酯类与醚类电解质的本征特性：酯类电解质虽具有较宽的电化学窗口，但其高极性易导致溶剂分子与Na⁺强配位，在负极侧优先还原生成厚而疏松、富含有机物的不稳定SEI，持续消耗活性钠与电解质；醚类电解质则通过形成弱配位的溶剂化鞘，促进阴离子优先分解，构建薄而致密、富含无机物（如NaF、Na₂O）的高离子导SEI，从而显著提升沉积可逆性。针对醚类电解质抗氧化性不足的问题，文章进一步评述了高浓度电解质与局部高浓度电解质的构建策略，其在拓宽电压窗口、抑制枝晶的同时，也带来了粘度高、浸润性差等新挑战。此外，固态电解质作为终极安全解决方案被寄予厚望，但其在ALSMBs中的应用仍受限于巨大的固-固界面阻抗与界面不兼容的问题。

SEI的机械强度、化学稳定性与离子传输能力直接决定钠沉积/剥离的可逆性。文章系统梳理了SEI工程的两种范式：一是通过电解质组分设计（如引入FEC、NaNO3等添加剂）“原位引导”形成理想SEI，其关键在于调控Na+溶剂化结构，促进生成富含无机物、具有高模量与弹性的界面层；二是“人工构建”物理或化学保护层（如金属有机框架涂层、钠盐复合层、合金层等），在电池组装前预先在集流体上形成具有特定组成、结构与功能的界面。人工SEI可实现界面性质的精确调控，并能引入亲钠位点引导初始成核。文章指出，理想的SEI需兼具高离子电导率、良好的机械韧性以适应体积变化、优异的化学稳定性以隔绝副反应，以及与集流体的紧密相容性以降低成核势垒。

作为钠金属沉积的基底，集流体的表面物理化学性质深刻影响成核过电位、沉积形貌与剥离效率。本文归纳了三大改性方向：(1) 表面亲钠化修饰：通过引入碳材料、金属（Bi、Sn、Ag等）或合金涂层，降低钠的吸附能，提供均匀成核位点，显著降低初始成核过电位；(2) 构建三维多孔结构：利用多孔碳、泡沫金属或三维纳米阵列，大幅增加比表面积以降低局部电流密度，均匀化电场与离子流分布，缓解浓差极化并为钠沉积提供空间缓冲，从而抑制枝晶；(3) 形成合金诱导层：利用能与钠形成合金的金属，在首次沉积时原位生成亲钠合金界面，如NaZn₁₃、Na₃Bi等，作为持续有效的沉积模板。文章强调，集流体设计需平衡“亲钠性”与“结构稳定性”，并考虑与电解质和SEI的协同效应。

ALSMBs的高性能实现绝非单一组件的独立优化，而是电解质、SEI与集流体三者协同作用的结果。电解质化学决定初始SEI组成；集流体的形貌与化学性质影响成核动力学与沉积均匀性，进而作用于SEI的演化稳定性；而一个稳健的SEI又能反哺保护集流体与电解质。当前研究多在理想化条件下（如低载量、过量电解液）取得进展，但与实用化要求存在显著差距：软包电池在贫电解液、高正极载量下，面临钠源更快耗尽、电流分布不均、产气膨胀等严峻挑战。文章指出，未来突破方向在于：运用原位/工况表征技术（如冷冻电镜、同步辐射、质谱联用）深入揭示界面动态演化与失效机制；通过多物理场仿真与人工智能方法，指导多组分材料的理性设计与协同优化；发展可规模化、低成本的电极/电解质制备与集成工艺，并建立系统的安全评估体系，最终推动ALSMBs走向大规模储能与动力电池应用。

“Research progress of high-energy-density anode-less sodium metal batteries”

侯敏杰简介：昆明理工大学冶金与能源工程学院，讲师，硕士生导师，长期从事钠离子电池关键材料设计及界面改性等方面的基础理论研究和关键技术开发。研究NASICON固体电解质在水溶液中的腐蚀过程与电化学性能衰退的相依关系，通过多尺度表征技术深入解析NASICON固体电解质的腐蚀机制，为高稳定性固体电解质的设计提供理论依据。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials，Chemical Engineering Journal，Corrosion Science，ACS Applied Materials & Interfaces等学术期刊上发表SCI论文13篇。

梁风教授简介：昆明理工大学教授，博士生导师，发展规划与学科建设处副处长，日本九州大学客座教授，2014年博士毕业于日本东京工业大学。主要从事钠基电池及材料、等离子体制备与改性能源材料、等离子体冶金材料一体化等方面的研究。入选“国家高层次人才”青年学者、人社部高层次留学回国人才、云南省高端科技人才、云南省杰青等人才计划。现任中日等离子体国际联合实验室主任，云南省教育厅等离子冶金及材料重点实验室主任、中国稀土学会稀土晶体专委会副主任委员等。以第一/通讯作者在Nat. Commun.，Electrochem. Energy Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., ACS Energy Lett.等学术期刊上发表论文130余篇；申请及授权专利60件。

刘盼：昆明理工大学2025级博士研究生，主要从事功能集流体的开发和界面改性的研究。

课题组主要研究方向为等离子体冶金、钠基电池关键材料制备及器件开发、等离子体制备与改性材料及其在储能器件上应用。课题组隶属于真空冶金国家工程研究中心，团队先后入选科技部重点领域创新团队、“国家高层次人才”创新团队、全国高校黄大年式教师团队、云南省创新团队、云南省顶尖团队，荣获“全国专业技术人才先进集体”和全国“工人先锋号”等称号。