南京理工大学王文举、李玉倩EnSM：弱配位溶剂诱导的溶剂化调控与燃烧自由基捕获协同实现高安全钠金属电池

钠金属电池（Sodium Metal Batteries, SMBs）作为新一代储能技术，因金属钠负极具备资源丰富、成本低廉、环境友好及高理论能量密度等优势，被视为锂离子电池的有力替代方案。随着电动交通、人工智能和航空航天等领域的快速发展，SMBs 正受到日益广泛的关注。然而，尽管钠金属本身具有诸多优异性质，其不受控的枝晶生长及由此引发的安全隐患，仍严重制约着其实际应用。一方面，枝晶可能刺破隔膜、破坏SEI膜，导致“死钠”形成、电解液过度消耗以及库仑效率下降；另一方面，传统碳酸酯类电解液闪点低、易燃，尤其在高温、高压或过充等极端工况下存在显著的安全风险。尽管固态电解质和表面保护层等技术路线已被提出以缓解上述问题，但普遍面临界面阻抗大、工艺复杂、成本高等挑战。在此背景下，电解液调控被认为是更具应用前景的策略之一。本研究提出了一种兼顾安全性与电化学性能的新型电解液设计方案，不仅为高安全钠金属电池的发展提供了新思路，也为溶剂结构重组与功能性添加剂的协同调控提供了理论支持与实验依据，有望为钠金属电池的实际应用迈出关键一步。

近日，来自南京理工大学的王文举、李玉倩团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Weakly coordinating solvent-induced solvation regulation and combustion radical capture enable highly safe Na metal batteries”的研究文章。该研究受到消防理念中“前端预防+后端控制”策略的启发，通过磷酸酯类不可燃溶剂实现电解液体系的溶剂重组，作为后端的阻燃手段；同时引入三（三氟乙基）亚磷酸酯（TTFPi）作为弱配位添加剂，调控Na+的溶剂化结构，从源头有效抑制枝晶生长。本研究结合理论计算与多种表征方法，系统阐明了TTFPi在界面结构调控与电化学性能优化中的作用机制，并在全电池体系中验证了该策略在常温与高温环境下的安全性与实用性，为高安全钠金属电池的设计提供了新思路与实验依据。

通过密度泛函理论（DFT）计算与分子动力学（MD）模拟发现，TTFPi具有最低的LUMO能级，能够在钠金属表面优先还原并参与SEI膜的构建。作为弱配位分子，TTFPi虽未直接进入Na+的第一溶剂化壳层，但其引入有效增强了Na+与PF₆⁻之间的相互作用，显著提升了溶剂化结构中阴离子占比，进而促进富NaF的阴离子衍生SEI膜的形成。拉曼光谱分析进一步表明，TTFPi的引入增加了接触离子对（CIP）的比例，优化了电解液的离子传输动力学。

通过原位光学显微镜实时观测发现，在空白电解液中，钠金属沉积在60秒内即出现明显的不均匀成核，至180秒枝晶迅速生长并伴随剧烈产气，540秒时已形成大量“死钠”；相比之下，添加TTFPi后的TF/TTFPi电解液表现出截然不同的沉积行为，在相同时间尺度内始终保持高度均匀的钠沉积形貌。结合扫描电子显微镜（SEM）分析可见，TTFPi诱导生成的SEI膜具有致密、均匀且无裂纹的微观结构。这一优化界面不仅显著抑制了“死钠”的生成，还将界面阻抗由1163 Ω大幅降低至171.2 Ω，为钠金属负极的稳定循环提供了关键保障。上述结果从动态沉积行为与静态界面结构两个维度，全面验证了TTFPi在调控钠沉积行为与优化SEI结构方面的优异性能。

采用X射线光电子能谱（XPS）深度剖析技术对SEI膜的化学组成进行了系统研究。结果显示，空白电解液生成的SEI膜以有机组分为主，结构疏松且分布不均；而经TTFPi改性后的电解液显著提高了SEI膜中无机组分的含量，尤其是NaF的相对比例大幅增加，在0–40 nm深度范围内，NaF与Na₂O的占比显著提升。该类富含高剪切模量无机相（NaF/Na₂O）的SEI膜具有优异的机械强度，能够有效抑制钠枝晶的穿透生长。

上述发现从分子层面揭示了TTFPi在调控SEI膜组成与结构方面的作用机制，为其提升电化学性能提供了坚实的理论依据。

通过系统的Na||Na₃V₂(PO₄)₃全电池测试，TTFPi添加剂展现出显著的电化学性能提升效果：在室温条件下，添加TTFPi的电解液在2C高倍率下循环900次后仍保持90.5%的容量保持率，平均库仑效率高达99.88%；即便在15C的超高倍率下，容量保持率亦可达56%。更为突出的是其高温性能表现：在60 ℃条件下以5C倍率循环500次后，容量保持率依然达到88.4%，而TF电解液在仅150次循环后即降至81.8%。此外，阻燃性能测试结果进一步证实，TTFPi与磷酸酯基溶剂的协同作用使电解液实现了完全不可燃。综上，TTFPi不仅显著提升了钠金属电池的循环稳定性与倍率性能，更通过其独特的阻燃机制有效解决了高温下的安全性难题，为构建高安全、长寿命的钠金属电池体系提供了切实可行的解决方案。

王文举：清华大学博士后，现任南京理工大学能源与动力工程学院教授、博士生导师。曾获江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省第十三批“六大人才高峰”高层次人才等荣誉。主要研究方向包括锂硫电池、钠离子电池等新型储能技术。主持并完成国家自然科学基金1项、中国博士后科学基金2项、江苏省自然科学基金1项、博士点基金1项、市级课题1项、教育部重点实验室开放课题2项、自主科研2项、校级紫金之星项目1项、校级教改项目1项。参与国家863、973、省部级项目共9项。目前已发表（含已接受）论文100余篇。其中SCI收录（或SCI源刊）32篇（一区、二区共16篇），SCI总影响因子>50，总被引频次400余次，H指数为12，单篇最高被引次数达43。

李玉倩：南京理工大学能源与动力工程学院硕士生导师。研究领域主要包括高能量密度金属电池的电极构建和界面设计及相关应用研究，碳基负极材料构建及应用研究等；研究成果在Advanced Energy Materials，Applied Physics Reviews， Nano Energy， Energy Storage Materials，Research等期刊上发表多篇论文，授权发明专利8项，主持国家自然科学基金和江苏省自然科学基金。