上海交通大学陈接胜/王开学&吉林大学宋晓伟最新JACS：三维异质结协同调控实现钠金属电池稳定循环

第一作者：宗慧，李尚奇，郑销阳

通讯作者：王开学*，宋晓伟*，陈接胜*

单位：上海交通大学，吉林大学

钠金属负极（SMAs）具有低还原电位（−2.71 V vs. SHE）和高理论比容量（1166 mAh·g^-1），是后锂时代极具前景的负极材料。然而，其表面电场和钠离子分布不均易在高电流密度下诱发枝晶生长，不仅破坏固态电解质界面（SEI）膜，更严重制约电池能量密度和商业化应用。传统碳基三维宿主材料常受限于 sp² 碳网络导电各向异性和对钠离子迁移的有限驱动力，加剧电流分布不均并导致其内部空间利用率低下。因此，通过优化碳基体的表面电子结构并利用异质结界面产生的内建电场来引导钠离子（Na⁺）有序迁移，协同调控钠离子行为，有望进一步改善钠金属负极性能。

近日，来自上海交通大学的陈接胜，王开学教授与吉林大学的宋晓伟教授合作，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表的题为“Synergistic Engineering of Electronic Structure and Interfacial Field via a 3D Heterostructure for Stable Sodium Metal Batteries”的观点文章。该观点提出协同策略：利用三维碳结构调控离子输运/沉积形貌，通过异源掺杂（如 N, P）优化表面电子结构，并构建具有内建电场的异质结界面（如 g-C₃N₄/MXene）引导 Na⁺ 有序迁移，从而实现了钠离子沉积行为的微-宏观多尺度调控，为下一代高性能三维宿主材料设计指明方向。

本研究通过整合化学气相沉积（CVD）与原位磷化策略，成功构筑了由Sn₄P₃纳米颗粒限域于氮磷共掺杂石墨烯纳米管（Sn₄P₃/NPGTs）组成的三维异质结构。该原位磷化过程同步实现了磷原子的掺杂与异质结界面的构建。

通过原子级 N/P 协同掺杂构建的丰富活性位点，有效调控了局部电子结构，促进了Na的均匀分布与吸附，并显著降低了成核过电位。Sn₄P₃ 与 NPGTs 的功函数差诱导了自发电子转移，从而在介观尺度形成内建电场，实现了钠离子（Na⁺）的定向迁移调控。结合不同沉积/剥离阶段的表面形貌表征 与 COMSOL 模拟结果，该结构对提升 Na⁺ 沉积均匀性、空间利用率 以及抑制枝晶生长的效果得到了充分揭示。

通过钠金属沉积过程的原位XRD及TEM分析证实：钠离子（Na⁺）首先迁移至异质结界面处，与限域于管内的Sn₄P₃纳米颗粒发生反应，生成Na₁₅Sn₄/Na₃P合金相并形成新的合金/碳界面。随后，钠金属优先在此合金界面处异相成核，并沿纳米管内壁进行轴向沉积生长。循环后的EIS和电极表面XPS分析进一步表明，该合金化过程促进了更稳定的SEI膜的形成，从而有效提升了钠离子迁移动力学。

Sn₄P₃/NPGTs结构的设计有效促进了钠离子迁移动力学，显著提升了钠金属负极的沉积/剥离可逆性，并减少了活性钠的不可逆损耗。该负极材料展现出良好的普适性，与低压正极（如NTP）和高压正极（如NVP）匹配组装全电池时，在5 C高倍率下均能实现稳定循环。原位EIS及DRT分析进一步表明，Sn₄P₃/NPGTs@Na||NVP电池具有更低的界面阻抗及更稳定的SEI膜。

Synergistic Engineering of Electronic Structure and Interfacial Field via a 3D Heterostructure for Stable Sodium Metal Batteries

王开学教授简介：上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师，主持了国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划项目、上海市曙光学者、教育部留学回国人员科研启动基金、上海市浦江人才计划项目、国家重点实验室开放基金；参加了973计划项目、教育部创新团队发展计划项目。研究方向：无机功能材料的合成及纳米复合体系的构筑；锂离子电池和新型储能器件关键电极材料的制备与性能研究。

宋晓伟教授简介：吉林大学化学学院教授，博士生导师，主持了国家自然科学基金，应急管理项目，青年基金；参加了973计划项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金委重大国际合作项目等。研究方向：无机纳米孔材料的合成及其在环境、催化、吸附分离和新兴交叉领域应用研究。

陈接胜教授简介：上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，英国皇家化学学会会士。担任Frontiers in Colloidal Materials and Interfaces期刊的专业主编，Journal of Materials Chemistry A, Science China Materials, CurrentOrganic Chemistry等期刊的国际顾问编委。合成了数十种新型骨架化合物，发展了多种主客体组装手段，制备了一系列新颖的无机复合体系，探索新型固体在催化和能源方面的应用。先后主持承担了国家杰出青年基金，国家自然科学基金委重点基金项目、重大研究计划培育基金项目，国家重点基础研究计划（973）课题项目和国际合作项目等的研究任务。