AM：富氮溶剂化结构实现长循环钠金属电池

第一作者：薛州晴

通讯作者：清华大学 赵辰孜*，北京理工大学 黄佳琦*

钠金属电池凭借高理论容量（1166 mAh g⁻¹）和资源丰沛等优势，成为下一代储能体系的有力候选。然而，其实际应用受限于电极/电解液不稳定的界面行为。常规电解质易与高活性钠反应，形成不均匀的固态电解质界面膜，导致循环中SEI反复破裂、钠枝晶生长及容量衰减；同时，传统电解质易氧化分解，形成的不稳定正极电解质界面加剧了正极材料的结构坍塌与容量损失。现有改性策略多聚焦于引入氟、氮等元素构建保护层，但仍存在氟化层过厚、含氮添加剂溶解度低等问题，且鲜有能同时兼顾正、负极界面稳定的有效方案。因此，开发新型溶剂化结构以实现双电极协同稳定，是推动高能量密度、长寿命钠金属电池发展的关键。

近日，北京理工大学黄佳琦、清华大学赵辰孜团队合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Nitrogen-Rich Solvation Structures Enable Long-Cycle Sodium Metal Batteries”的研究性文章。本文针对钠金属电池中电极界面不稳定这一核心挑战，提出了一种氮富集配位溶剂化结构的设计策略，来调控并稳定电极界面。该设计能够在负极诱导形成高机械强度的无机界面膜，有效抑制钠枝晶生长；同时在正极构筑坚固的保护层，显著增强其结构稳定性和反应可逆性。这项研究为实现高能量密度、长循环寿命的钠金属电池提供了一种通用的溶剂化结构调控方案。

为解决上述双电极界面不稳定的共性难题，本研究跳出传统添加剂工程的思路，提出了一种通过调控溶剂化结构来从源头上引导界面形成的创新策略：即构建一种氮富集配位溶剂化结构。该策略的核心在于引入富氮共溶剂ISDN，其分子能够凭借与Na⁺更强的配位能力，优先进入并重塑Na⁺的初级溶剂化鞘，有效取代部分醚类溶剂DME的位置。引入的共溶剂ISDN在热力学上被设计为比基底溶剂DME更易发生还原和氧化反应，从而能够在充放电时优先在负极和正极界面发生分解，从而构建起稳定的双电极界面。

在钠金属负极侧，NECS策略展现出了卓越的界面调控能力。优先还原分解的ISDN分子诱导生成了一层富含Na₃N、Na₂O等无机物的SEI。通过深入的界面分析发现，该SEI具有高无机物含量、高机械强度和均匀的厚度，能够有效抑制钠枝晶的穿刺，同时促进Na⁺的快速、均匀传输，从而实现高度可逆的钠沉积/剥离过程，显著提升了负极的循环稳定性。这从根本上解决了负极侧的副反应和安全隐患，为对称电池实现超长循环寿命奠定了坚实基础。

在NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂ （NFM）正极侧，ISDN同样通过优先氧化分解，形成了一层坚固、致密且超薄的正极电解质界面膜。这层富含氮/氧化合物的CEI能有效抑制电解质溶剂在正极表面的持续分解副反应，并减轻正极材料在循环过程中的体积应变，从而显著提升了其结构稳定性，使其转变为更快速、更可逆的过程，从而有效抑制了颗粒开裂和晶体结构不可逆损伤，缓解了容量衰减。

基于NECS电解质构建的钠金属全电池在接近实用化的苛刻条件下，展现出突破性的电化学性能，关键数据有力地证明了其优越性。在电池核心测试中，Na||Na对称电池实现了超过4000小时的超长稳定循环，证明了负极界面极高的可逆性。匹配高负载（7.5 mg cm⁻²）NFM正极的Na||NFM全电池在2.0-3.8V电压范围内，经过1000次循环后容量保持率高达86.1%，平均库伦效率达到99.9%，远超使用传统电解质（OECS）的电池。更重要的是，该策略提升了电池的工作电压窗口，当电压上限拓展至3.95V时，全电池依然能在700次循环后保持85.9%的容量。最终，基于NECS组装的NFM||Na软包电池实现了202.6 Wh kg⁻¹的高能量密度。这些扎实的数据不仅验证了NECS策略的实际可行性，更阐明了通过微观溶剂化结构调控来实现宏观电极界面同步稳定的核心原则，为解决下一代高能量密度金属电池的界面难题提供了普适性的设计蓝图和理论基石。

本文针对钠金属电池中电极界面不稳定这一核心挑战，提出了一种创新的氮富集配位溶剂化结构电解质策略。通过在醚基电解质中引入富氮助溶剂ISDN，使其优先进入钠离子溶剂化鞘，重塑电解质的微观结构，从而引导ISDN在充放电过程中优先于基底溶剂发生分解，同步在负极和正极构建稳定的界面保护层。该设计在负极侧诱导形成了富含氮/氧无机物且具有高机械强度的SEI，有效抑制了钠枝晶生长，实现了均匀的钠沉积/剥离，使Na||Na对称电池实现了超过4000h的超长循环寿命；在正极侧形成了坚固的CEI，显著提升了NFM正极的结构稳定性，有效缓解了不可逆相变和颗粒开裂。基于该电解质组装的Na||NFM全电池在苛刻条件下展现出卓越性能：在高负载正极（7.5 mg cm⁻²）下循环1000次后容量保持率高达86.1%，拓宽电压窗口至3.95 V后仍保持优异循环稳定性，最终组装的软包电池实现了202.6 Wh kg⁻¹的高能量密度。这项工作通过溶剂化结构的精准调控，为解决钠金属电池的界面稳定性难题提供了普适性方案，为发展高能量密度、长寿命的钠金属电池指明了新的方向。

Nitrogen-Rich Solvation Structures Enable Long-Cycle Sodium Metal Batteries

黄佳琦，北京理工大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事高比能、高安全、长寿命锂电池的基础与应用研究，尤其是在关键能源材料、界面电化学转化机制以及电池器件等方面积累的丰富的研究经验和研究基础。目前已在Nat. Energy, Angew Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Chem, Matter, Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊发表研究工作200余篇。担任中国颗粒学会理事会理事，中国化学会能源化学专委会委员，J. Energy Chem.期刊副主编。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2020年北京市杰出青年科学基金，2022年颗粒学会自然科学一等奖，2022年第十七届中国青年科技奖特别奖等。2018–2024年连续入选科睿唯安全球高被引学者。

赵辰孜，清华大学化工系助理研究员。主要研究方向为下一代高比能、高安全性电池的关键材料与器件。研制了功能化柔性固态电解质、复合金属负极等新型材料，并构建安时级高比能软包电池。相关研究成果以第一/通讯作者身份发表于Nature、Sci. Adv.、PNAS、JACS 等期刊。2021–2024连续四年入选科睿唯安全球高被引学者。