燕山大学彭秋明团队Nature Communications: 纳米孪晶合金电极领域取得重要进展

第一作者：邹国栋

通讯作者：王金铭*，彭秋明*

单位：燕山大学

缓慢的钠（Na）动力学导致不理想的钠沉积和枝晶生长。为了解决这一问题，研究人员探索了多种策略，例如创建亲钠涂层以增强动力学，以及三维多孔骨架作为钠沉积的基底。然而，涂层易从集流体或负极上脱落；使用三维宿主集流体或负极会导致内部空间利用效率低下。因此，设计一种能够增强钠沉积动力学的集流体或负极，以引导均匀的钠成核并促进致密平面生长，是一个巨大的挑战。

近日，来自燕山大学彭秋明团队，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“A nanotwinned-alloy strategy enables fast sodium deposition dynamics”的观点文章。该观点文章发明了一种高压-焦耳热联用制备纳米孪晶合金新方法，合成了多种纳米孪晶合金电极，并阐明了其提升金属沉积动力学微观机制。

图一为Al-Si合金的制备和结构表征

图二为Na在不同基体上的成核与生长。

图四为HPJH-AlSi的亲钠机制

图五为不对称和对称电池的电化学性能

图六为全电池的电化学性能

合金化为不均匀金属沉积的问题提供了新的解决方案。特别是在合金中引入纳米孪晶结构能够显著降低扩散势垒，促进均匀的金属沉积并抑制枝晶生长。因此，作者推测增加负极或集流体中纳米孪晶结构的含量可以显著改善钠沉积形貌（含活性金属的纳米孪晶合金可作为负极，不含活性金属的纳米孪晶合金仅可作为集流体）。值得注意的是，在高压条件下合金溶质的固溶度会发生急剧变化；其次，通过瞬间卸载压力可实现高过冷进而获得高温熔体合金的亚稳态结构。此外，焦耳热处理过程可通过改变合金的自由能来诱导非平衡弛豫，从而可以进一步扩大高压样品中的晶体缺陷密度。为此，研究团队发明了一种高压-焦耳热联用制备（HPJH）纳米孪晶合金新方法，在Al-Si合金中成功引入了高达82.7%的纳米孪晶硅（NT-Si）结构，并进一步推广至Cu-Ag等合金体系。

纳米孪晶结构因其低界面能、高导电性和机械稳定性，为钠的均匀沉积提供了理想平台。在5 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²的测试条件下，基于HPJH-AlSi集流体的钠对称电池展现出超过5300小时的超长循环寿命，总容量高达13.25 Ah cm⁻²，并在全电池测试中保持优异的性能。进一步的原位TEM观察和分子动力学模拟验证了HPJH-AlSi合金表面钠的球形沉积形貌及无枝晶生长特性。

钠的形貌变化主要受电化学沉积过程中电荷转移与扩散限制的竞争机制控制。当扩散控制（高反应速率和低扩散速率）主导时，容易发生枝晶生长，而当反应控制（低反应速率和高扩散速率）主导时，则以球形沉积为主。实验与理论计表明，纳米孪晶硅具有出色的亲钠特性和快速扩散能力。这些特性显著降低了无量纲Damköhler数（表示电化学反应速率ke与表面扩散速率kd的比值），使沉积过程由扩散控制转变为反应控制，实现了更加均匀的金属沉积。

与传统方法不同，作者采用高压固溶结合焦耳热处理的方法设计了一种纳米孪晶合金，用于提升钠的沉积动力学。这一方法将钠沉积过程从扩散控制转变为反应控制，促进了球形钠的沉积和无枝晶生长。这一纳米孪晶结构提升钠沉积动力学的策略具有广泛的适用性，为其他金属沉积提供了新的方向。同时，该合成技术可扩展到多种合金体系，为无枝晶金属电池的发展提供了重要推动力。

Guodong Zou, Jinming Wang*, Yong Sun, Weihao Yang, Tingting Niu, Jinyu Li, Liqun Ren, Zhi Wei Seh, Qiuming Peng*. A Nanotwinned-Alloy Strategy Enables Fast Sodium Deposition Dynamics. Nature Communications, 2025

彭秋明教授：燕山大学教授、亚稳材料全国重点实验室主任、博士生导师，洪堡学者，国家优青，教育部长江学者特聘教授和国务院特殊津贴专家。共计发表学术论文200多篇，其中以一作/通讯在Nat Commun，J Am Chem Soc，Adv Mater，Adv Energy Mater，Adv Funct Mater，ACS Nano，Nano Lett 和 Acta Mater上发表 130 余篇，H因子64。主持国家自然基金6项、重点研发计划子课题1项；河北省创新群体1项。获河北省自然科学一等奖1项（排1），河北省技术发明一等奖（排1），河南省自然科学二等奖1项（排2）。获国家发明专利30余项（转化6项），国家保密专利1项，欧盟专利2项，参与编写书籍3部（英文1部），主编教材1部。中国仪器仪表协会（常务理事）、中国材料研究学会镁合金材料与应用专业委员会（理事）、中国生物材料学会（青年委员）等多个学术组织任职；担任JMA，JMST和Metals等期刊编委。

邹国栋：燕山大学副教授，亚稳材料全国重点实验室专任教师，彭秋明教授团队骨干成员。主要从事高压亚稳轻合金结构/功能材料，研究迄今为止，在Nat. Commun.、J Am Chem Soc, Adv Mater（2篇）、Adv Energy Mater（2篇）、Adv Funct Mater、ACS Nano等国际著名期刊发表SCI论文40余篇，其中一作/通讯20余篇，论文总被引3000余次，H指数为25。主持国家自然科学基金面上/青年基金，河北省高层次人才资助项目，河北省优秀青年金项目等科研项目；以骨干成员参与国家重点项目1项，国自然联合基金项目1项。获河北省自然科学一等奖1项（排4）、河北省科学技术发明奖一等奖1项（排5），河南省自然科学二等奖1项（排5），获河北省优秀博士论文。授权/公开国家发明专利17项。担任中国有色金属学会轻合金材料专业委员会委员。

彭秋明教授课题组主要从事超高压下镁合金的亚稳结构调控及性能，镁电池设计与开发，轻金属储能材料及新型二维MXene/MBene基材料等研究。课题组主页https://www.x-mol.com/university/faculty/179495