协同蒙脱石通道与杂原子掺杂碳网络：实现快速离子传输与均匀沉积的钠金属阳极- 大数跨境

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协同蒙脱石通道与杂原子掺杂碳网络：实现快速离子传输与均匀沉积的钠金属阳极

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2025-10-22

导读：协同蒙脱石通道与杂原子掺杂碳网络：实现快速离子传输与均匀沉积的钠金属阳极

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文章信息

协同蒙脱石通道与杂原子掺杂碳网络：实现快速离子传输与均匀沉积的钠金属阳极

第一作者：吕佳泽

通讯作者：曹晏*

单位：中国科学技术大学、中国科学院广州能源研究所

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研究背景

随着锂离子电池面临锂资源稀缺及产能瓶颈，钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉而被视为大规模储能的理想替代方案。然而，钠金属负极虽然具有高理论比容量和低氧化还原电位，但在循环过程中容易形成枝晶，并生成不稳定、离子导电性差的固态电解质界面（SEI），从而降低电池安全性、库伦效率及循环寿命。因此，构建兼具快速离子传输、均匀钠沉积调控能力和高机械稳定性的人工界面层，已成为实现高能量密度、长寿命钠金属电池的关键研究方向。

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文章简介

近日，来自中国科学技术大学的曹晏教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Synergistic Montmorillonite Channels and Heteroatom-Doped Carbon Networks Enabling Fast Ion Transport and Uniform Deposition for Stable Sodium Metal Anodes”的文章。该研究通过将酸蚀蒙脱土（MMT）与氮/硫共掺的碳网络协同作用，构建了一种非均相复合材料C-MMT。该设计利用无机MMT的刚性层状骨架为钠离子快速传输提供低阻抗扩散通道，氮/硫掺杂碳提供丰富的亲钠成核位点，促进均匀的界面电场分布和缓冲体积变化。C-MMT@Na对称电池循环寿命超过3000 h，Na₃V₂(PO₄)₃全电池在5 C电流下循环超过2000次，表现出显著的倍率性能。本研究与计算模拟相结合，提出了一种有效的策略，利用层状MMT和掺杂碳之间的协同效应，为钠金属负极的发展提供了新的见解。

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本文要点

要点一：Na+缩小层间距，N/S均匀掺杂

本研究设计了具有层状通道和杂原子掺杂碳骨架的复合材料C-MMT。首先通过酸蚀和Na⁺插层处理，使蒙脱土能够吸附亚甲基蓝（MB），随后碳化形成N/S共掺杂的导电碳层，均匀包覆在蒙脱石片层表面。阳离子交换有效缩小了层间距，并在碳骨架中引入丰富亲钠位点，构建了刚柔结合的异质结构。

Figure 1. a) Schematic illustration of the preparation process of B-MMT@Na and C-MMT@Na anode. b) HRTEM image of MMT and C-MMT. c) HADDF STEM images of C-MMT and the corresponding mapping images of C, O, Na, N, and S. d) XRD patterns of R-MMT, B-MMT and C-MMT. e) N₂ adsorption and desorption isotherms of C-MMT and the inset shows the micropore size distribution. f) Raman spectra of C-MMT. g) XPS spectra of R-MMT and C-MMT. h-k) C 1s, O 1s, N 1s, and Na 1s spectra of C-MMT.

要点二：快速离子传输，实现均匀沉积

C-MMT@Na显示出最小接触角，表明电解液润湿性显著改善。其迁移数（tNa⁺）显著提高至0.60，同时表现出更高电流密度，并伴随去溶剂化活化能降低。原位光学显微观察显示，Na沉积过程更平整且无枝晶生成。Comsol表明界面电场分布均匀，Na⁺通量稳定，从而实现快速且均匀的钠沉积。

Figure 2. a) Cross-section of the C-MMT@Na and corresponding elemental mapping. b) Electrolyte wettability tests of bare Na, R-MMT@Na, B-MMT@Na and C-MMT@Na. c) The tNa+ of C-MMT@Na symmetric batteries and inset showing the Nyquist plots of impedance before and after polarization. d) The transfer number of bare Na, R-MMT@Na, B-MMT@Na and C-MMT@Na. e) Tafel curves. f) Desolvation activation energy of bare Na, R-MMT@Na, B-MMT@Na and C-MMT@Na fitted to the Arrhenius equation. g) In situ optical micrographs of the Na deposition process of bare Na and C-MMT@Na anode. Finite element simulation results of electric field distribution for h) bare Na, i) R-MMT@Na, and j) C-MMT@Na.

要点三：实现稳定长循环，降低成核过电势

C-MMT@Na在稳定钠沉积和抑制枝晶生长方面表现出优异性能，有效延长了对称电池的循环寿命，提升了成核稳定性，并诱导形成致密、无枝晶的沉积结构。

Figure 3. a) Coulombic effciency of NalICu, R-MMT@NallCu, B-MMT@NallCu, and C-MMT@NallCu cells tested using the Aurbach method. b) Coulombic efficiency and c) nucleation overpotential at0.5 mA cm^-2/0.5 mAh cm^-2. d) Cycling performances of bare Na, R-MMT@Na, B-MMT@Na and C-MMT@Na anode symmetric cells at 0.25 mA cm^-2 /0.25 mAh cm^-2 and f) 0.5 mA cm^-2 /0.5 mAh cm^-2. e) Comparison of cycling performance of this work with the previous works. g) Rate performance. h) The comparison of overpotential value at different current densities. i) The cross-section and top-view image of bare Na and j) C-MMT@Na anode before and after 100 cycles at 1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2.

要点四：形成富无机 SEI 提升界面稳定性

XPS溅射结果显示，C-MMT@Na通过极性功能团调控，实现了钠负极界面成膜行为的显著优化。与Bare Na主要形成有机物主导的SEI不同，C-MMT@Na诱导形成了以NaF、Na₂CO₃等无机物为主的富集SEI。这种无机物富集的SEI增强了界面机械强度，使电池在多次充放电循环中仍能保持高效性能和长寿命。

Figure 4. a) The atomic ratio of each element on the C-MMT@Na and bare Na anodes for various durations of Ar+ sputtering. Depth proling of b) C 1s, c) O 1s, d) Na 1s, e) F 1s and f) Cl 2p element distribution analysis by the XPS sputter etching technique of C-MMT@Na anode (left line) and bare Na (right line) after 100 cycles at 1 mA cm^-2 /1 mAh cm^-2.

要点五：DFT 计算揭示 C-MMT“中等吸附-低能垒”协同机制

采用DFT计算Na⁺的扩散途径和迁移能垒，以进一步评估C-MMT中成核与离子传输的协同作用。结果显示，Na⁺在MMT层间的迁移能垒最低，表明该异质结构能够兼顾充分的成核位点与高效离子扩散。C-MMT通过将MB-C的高亲钠性与MMT的快速离子通道结合，实现了稳定的Na⁺成核和高效迁移。

Figure 5. a) Summary of calculated binding energies of Na with MMT, MB-C and C-MMT (Inset: Stable structure model after Na adsorption at different sites). Diffusion energy barriers of Na⁺ along b) MB-C, c) MMT (Paths 1 and 2) and d) C-MMT (Path 2), with corresponding migration process.

要点六：全电池性能验证：兼顾高倍率与长寿命

在全电池体系中，C-MMT负极展现出卓越的循环稳定性和倍率性能。在5 C高倍率下循环2000次后，容量仍保持83.7%，钠离子扩散系数较Bare Na提高约一个数量级。C-MMT的结构设计在实际电池中同时实现了高能量密度和长循环寿命，与其他材料相比具有显著优势。

Figure 6. Cycling performance and the CE curve of the bare Na||NVP, R-MMT@Na||NVP, B-MMT@Na||NVP, and C-MMT@Na||NVP full cells at a) 2 C and b) 5 C. c, d) Charge-discharge curves of the C-MMT@Na||NVP and Na||NVP cells at different cycles at 5 C. e) Rate performances of the bare Na||NVP, R-MMT@Na||NVP, B-MMT@Na||NVP and C-MMT@Na||NVP full cells. f) Nyquist plots of Na||NVP and C-MMT@Na full cells after 3 cycles and 20 cycles. GITT profles and Na⁺ difusion coeffcient of g) C-MMT@Na||NVP and h) Na||NVP. High-resolution XPS spectra of i) O ls and j) Cl 2p for the C-MMT@Na||NVP and Na||NVP full cells after 100 cycles. k) Comparison of the electrochemical performances with the previously reported SMBs. I) Photo of C-MMT@Na||NVP full cell driving an LED screen.

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结论展望

本研究通过蒙脱石通道与N/S共掺杂碳网络的协同设计，构筑出具有快速离子传输能力和丰富亲钠位点的C-MMT@Na结构。该结构实现了Na⁺的高效迁移与均匀沉积，同时诱导形成富含无机组分的SEI，显著提升了钠金属电池的循环稳定性和倍率性能。DFT计算结果进一步揭示了其扩散机制，表明C-MMT将MB-C的高亲钠性与MMT的快速离子通道相结合，实现了Na⁺的高效迁移和均匀成核。该设计策略可推广至其他层状材料与碳材料结合体系，在多种金属电池中具有广阔应用前景。

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文章链接

Synergistic Montmorillonite Channels and Heteroatom-Doped Carbon Networks Enabling Fast Ion Transport and Uniform Deposition for Stable Sodium Metal Anodes

https://doi.org/10.1002/smll.202508896

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通讯作者简介

曹晏，中国科学院广州能源研究所二级研究员、中国科学技术大学教授、安徽大学兼职教授；中国科学院百人A类领军人才、广东珠江领军人才；学术兼职包括安徽省矿山生态修复过程实验室技术咨询委员会主任、科技部国家重点研发计划项目评审专家及全国青年人才计划评审专家等；原美国西肯塔基大学教授、燃烧科学及环境技术研究所所长；发表学术论文240余篇，主持多项国家自然科学基金、科技部重点研发计划、省部级重点研发等项目，现已建成涉及循环流化床气化/制氢/氨及大宗固废高值化绿色低碳利用综合示范中试5个并成功运行（最大规模达MW级）。