徐飞教授、王洪强教授，AFM：低缺陷碳载体突破零过量钠金属电池预钠化瓶颈

第一作者：彭旭

通讯作者：庄容*，王洪强*，徐飞*

单位：西北工业大学

随着大规模储能需求持续增长，钠资源储量丰富且成本低廉，使钠基电池成为面向规模化应用的重要体系。钠金属负极具有理论比容量高与氧化还原电位低等优势，有望提升器件能量密度；但在循环过程中枝晶生长、体积膨胀导致“死钠”产生和不稳定SEI膜，从而造成活性钠利用率低、循环稳定性差等问题，严重阻碍了钠金属电池的实际应用。现有研究多采用过量的金属钠（高负极/正极面容量比，N/P比）来补偿活性钠损失，虽可在一定程度上提升循环稳定性并抑制枝晶生长，但过量钠使用牺牲了高比能特性并制约了实用化进程。因此，零过量钠金属电池（N/P=0）因兼备高能量密度与制造友好性而受到广泛关注。然而，在零过量钠金属电池中，正极作为唯一钠源，循环过程中的任何不可逆钠损失都难以补偿。尽管富缺陷/掺杂碳载体可降低形核势垒并引导均匀钠沉积，但其缺陷位点往往在金属钠沉积前通过吸附/结合消耗大量活性钠，造成首圈库伦效率较低（通常<65%）；同时在快充条件下，富缺陷碳载体因动力学限制易出现亲钠性降低甚至向疏钠转变，进一步加剧枝晶生长。

近日，西北工业大学的徐飞、王洪强团队，在材料领域国际顶级期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Low-Defect Carbon Host Enabling Robust Zero-Excess Sodium Metal Batteries Without Presodiation”的文章。该文章开发了一种低缺陷自支撑碳载体，在无需预钠化的条件下，可实现低活性钠消耗，并且通过低电位平台为主导的储钠机制使其在快充条件下保持较好的亲钠性，克服了传统碳载体层存在的亲钠性与钠利用率之间的博弈矛盾，实现了无预钠化的零过量钠金属电池在能量密度/循环稳定性/倍率性能方面的突破。

不同于以往通过缺陷工程或掺杂策略提升碳载体亲钠性的方法，该文章首次提出通过构筑低缺陷自支撑碳载体，同时实现高亲钠性和高钠利用率。理论计算与实验结果证明，低缺陷碳载体具有低电位平台为主导的储钠机制，表现出较好的亲钠性，使其形核过电位降低2倍，同时将不可逆钠消耗降低4.67倍。因此，该策略无需通过预钠化来补偿碳载体的钠消耗，为实现真正的零过量钠金属电池提供了关键突破。

低缺陷碳载体的低形核势垒与三维多孔骨架协同引导钠金属在载体内部实现限域、无枝晶可逆沉积/剥离，从而在6 mAh cm^-2高面容量下稳定循环6000 h。针对富缺陷碳载体在快充条件下因动力学受限而出现亲钠性衰减甚至转为疏钠的问题，低缺陷碳载体因其在接近0 V区域存在隐藏具有快速动力学的储钠位点，使其在高倍率下仍保持稳定亲钠性与无枝晶沉积。

得益于快充下高亲钠性、低载体钠消耗以及限域沉积协同作用，使低缺陷碳载体零过量钠金属电池在无需预钠化条件下实现了84.6%的初始库伦效率，可稳定循环110圈，能量密度高达281.1 Wh kg^-1，以及5 C的倍率性能。该文章发展的低缺陷工程策略重新定义了碳载体的设计原则，有效破解了零过量钠金属电池长期以来对预钠化的依赖难题。

Low-Defect Carbon Host Enabling Robust Zero-Excess Sodium Metal Batteries Without Presodiation

徐飞教授简介：西北工业大学材料学院教授，博士生导师，优秀青年科学基金获得者，德国洪堡学者，主要从事功能多孔聚合物和碳材料的分子设计、可控制备及物化性能研究，在新能源材料与器件等基础应用领域积累了研究经验，共发表SCI论文140余篇，总引用10000余次，其中以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等SCI期刊发表论文80余篇。申请中国发明专利15项（授权11项）。受聘担任陕西省纳米学会常务理事、《新型碳材料》学术编辑、《Science China Materials》与《Carbon Energy》青年编委等职。

王洪强教授简介：西北工业大学材料学院教授、副院长、国家级领军人才，英国皇家化学会会士。2008年于中科院固体物理研究所获凝聚态物理专业博士学位，后分别在日本、德国、英国从事博士后研究工作。曾获国家海外高层次青年人才、德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者。现担任工信部高端功能与智能材料专项专家组成员、中国体视学会材料科学分会副主任委员、陕西省学科创新引智基地负责人、陕西省 “一带一路”国际联合实验室主任、陕西省纳米科技学会副理事长以及《JPhys Materials》国际编委等职。长期从事先进能源与催化材料基础及应用研究，系统开展了纳米晶激光植入低碳能源器件创新研究，在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等材料领域国际重要期刊已发表 SCI 论文260余篇，H因子51（Web of Science），授权中国、日本发明专利31件。

庄容简介：西北工业大学博士，现为武汉纺织大学材料科学与工程学院讲师，硕士生导师。主要从事多孔有机聚合物与碳材料的结构设计制备及其在钠电池领域的应用，在Sci. Adv.、Adv. Funct. Mater.、Carbon等材料领域国际重要期刊已发表SCI论文10余篇。