福州大学颜蔚研究员、张久俊院士， CEJ.：抑制电解液分解的氟化人工保护层实现-30℃下长循环无枝晶钠金属电池

近日，福州大学颜蔚研究员、张久俊院士团队，在国际期刊《Chemical Engineering Journal》发表题为“A fluorinated artificial protection layer for wide temperature range and ultra-long cycle-life dendrite-free sodium metal battery”的研究。该工作通过原位反应在钠金属表面构筑了由Na₃Bi和NaF组成的三维氟化人工保护层（NBF），显著提升电池在极端温度下的循环稳定性。理论和实验结果均表明，这种人工保护层兼具强亲钠性、高离子电导率和电子绝缘性。这种协同效应增强了Na离子的传输动力学，促进了钠金属的均匀沉积，并有效抑制了枝晶生长。同时，这种人工保护层能够有效抑制电解质的持续分解，并减少副反应的发生，从而维持电极-电解质界面的稳定性。因此，在低工作温度（-30℃）下，由NBF修饰的钠金属对称电池实现了超1400小时的长循环寿命（0.1 mA cm⁻²@ 0.1 mAh cm⁻²）。且在常温下其仍然表现出显著的电化学性能，在0.5 mA cm⁻²@0.5 mAh cm⁻²的条件下循环寿命超过2390小时，制作的钠金属全电池在10 C下也表现出超过7000次的稳定循环。这种人工保护层的设计策略为在80°C 至-40°C的宽温度范围内实现高性能钠金属电池提供了一种新途径。

通过简单的机械滚压和原位反应在钠金属表面构建了由Na₃Bi和NaF组成的三维氟化人工保护层（NBF）。在该人工保护层中，较强的亲钠性可以使钠离子通量均匀化，促进钠金属的均匀沉积。同时，NaF的低高钠离子电导率有利于钠金属的快速高效沉积。此外，三维结构可以有效地减轻沉积过程中发生的体积变化。

在-30℃超低温下，NBF对称电池仍能维持1400小时的稳定循环。在80℃高温下，NBF仍保持超低的过电位，且温度回调至25℃后性能无衰减。全电池测试表明，NBF在-30℃循环1000次后容量保持率高达90.9%，远优于裸钠电极（75.3%）。这一突破解决了传统钠电池在低温下电解液冻结，容量骤衰的难题，为低温储能、电动汽车等应用提供了可能。

NBF人工保护层通过多机制协同策略实现了高性能钠金属电池。首先NaBi合金降低钠金属成核势垒，引导钠均匀沉积。其次，NaF提供了高速的钠离子传输通道，加速钠离子迁移。最后，通过MD模拟发现NBF人工保护层可以抑制电解液分解，减少“死钠”的生成，抑制SEI的持续增长，从而形成更薄、更均匀的SEI层，实现稳定持久的长循环性能。

颜蔚研究员简介：1998年于武汉大学取得电化学学士学位，2005年于武汉大学取得分析化学博士学位。2007年于南京大学化学化工学院博士后出站，并加入上海大学理学院，任职可持续能源研究院副院长，副研究员。2022年1月加入福州大学，任职新能源材料与工程研究院执行院长，研究员。主要从事电化学能源存储与转换：包括有Li/Na/K等碱金属离子电池，Li/Na/K等碱金属电池，金属-空气电池，铅碳电池和超级电容器等。

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告850余篇，编著书30本，书章节47篇，被引用93000多次（H-Index为133）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

齐静，福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院博士研究生，主要研究方向为钠金属负极的制备及应用以及准固态钠金属电池。

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