CEJ观点：V/NaF双功能钠金属负极界面层制备助力高性能钠金属负极

第一作者：李栎，许康

通讯作者：王哲飞，杨骏，魏怀鑫

单位：苏州科技大学，江苏科技大学

近年来，便携式电子设备和电动汽车需求激增，推高锂盐价格，且锂资源有限、分布不均带来供应链风险，促使下一代储能系统加速发展。钠金属负极（SMA）凭借高能量密度（理论容量1166 mAh g^-1）、优异倍率和低温性能受到关注，但高反应活性、Na⁺沉积不均及枝晶形成仍是主要挑战。构建人工界面层是改善钠金属负极性能的有效手段。研究表明，在钠金属电极上涂覆氟化钠（NaF）涂层，可促进均匀固体电解质界面（SEI）生长，实现稳定离子传输和无枝晶生长，延长中等电流密度下的电池寿命。NaF 富 F 位点通过路易斯酸碱作用抑制电解液副反应，其良好延展性还能缓解体积变化应力。未来将 NaF 与其他功能组分结合，发挥协同效应，有望进一步提升钠金属负极性能。

基于此，来自苏州科技大学的魏怀鑫老师与江苏科技大学的杨骏老师合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In situ reconstructed dual-functional interfacial layer induced by spontaneous vanadium fluoride reaction for highly stable sodium metal batteries”的观点文章。该观点文章提出通过VF4/VF3粉末与Na金属进行自发的置换反应，在钠金属电池负极表面生成了一种含有NaF和V金属单质组分的界面层。用其组装的对称电池在0.5 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下，寿命延长至约1000 h。改性后的钠金属负极与Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）正极匹配，持续展现出稳定的循环性能。在电流密度为5 A g^-1的条件下循环4000次后，VF_x||NVP全电池实现了高达76.3 mAh g^-1的可逆容量且库仑效率始终保持较高水平。

图1. V/NaF人工界面层的示意图，以及VF_x/Na||NVP全电池在5 A g^-1下的循环性能。

在钠金属负极表面制备的V/NaF人工界面层均匀而致密，可以隔离电解液的腐蚀，抑制枝晶生长。VF_x/Na人工界面层的杨氏模量为17.7 GPa，是纯钠（2.3 GPa）的七倍多。说明V/NaF双组分人工界面层的构筑增强了钠金属负极表面的机械强度，可以成功的抑制在电化学循环过程中产生的枝晶，延长循环寿命。使用光学原位显微镜对含有V/NaF人工界面层电极的Na沉积过程进行观测。VF_x/Na电极在整个沉积过程中成功阻止了电解液与钠金属的直接反应。即使连续沉积60 min，其V/NaF人工界面层较高的杨氏模量可以进一步阻止枝晶的生长，使VF_x/Na电极表面保持光滑平整，减少了“尖端效应”的产生，使Na⁺沉积的更加均匀，延长了电池循环寿命。

要点二：优异的对称电池性能

在电流密度为0.5 mA cm^-2，沉积量为1 mAh cm^-2 时，VF_x/Na对称电池的循环寿命长达1000 h，而其成核过电位仅为0.12 V。相反的，纯Na对称电池仅在87 h后就会出现短路现象，并有0.21 V的过电位。当电流密度增大到1 mA cm^-2时，VF_x/Na电极对称电池还能保持极佳的循环稳定性，可工作500 h。相比之下，纯Na电极对称电池的循环寿命只有60 h且过电位是VF_x/Na电池的两倍。这些结果表明，V/NaF复合人工界面层能够抑制枝晶的生长，同时促进Na⁺的稳定和均匀沉积。

要点三：优异的全电池性能

为了进一步评估VF_x/Na电极的实际应用，使用Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）材料作为正极组装全电池。在倍率测试中，因为经过合理设计的多功能V/NaF人工界面层，以及其具备的高机械强度和优异的离子电导率，VF_x/Na||NVP全电池在不同的倍率下都有很好的比容量。在0.1至10A g^-1的不同电流密度下，可分别达到106.2、104.3、103.2、101.1、94.5和80.6 mAh g^-1的比容量。在10 A g^-1的电流密度下循环5圈后，当电流密度再次恢复到0.1 A g^-1时，其容量能够恢复至初始容量水平。这一现象充分表明，VF_x/Na||NVP全电池不仅具备良好的可逆性，还拥有较高的可逆容量。在不同的电流密度下，Na||NVP全电池的容量总是低于VF_x/Na||NVP全电池，尽管在0.1 A g^-1时两者的比容量相差不大，但随着电流密度的逐渐增加，Na||NVP全电池的性能逐渐变差。此外，VF_x/Na负极在全电池中还具有良好的循环性能。在电流密度为5 A g^-1的条件下，VF_x/Na||NVP全电池在循环4000圈后，可逆容量仍可达到76.3 mAh g^-1，并始终保持较高的库伦效率。

要点四：前瞻

这项研究验证了人工设计的界面层的可行性，为其实际应用铺平了道路。该研究提出了一种简单且适应性强的预处理技术，用于构建钠金属负极人工界面层，从而为实现钠金属电池（SMB）的长循环寿命以及通过对钠金属负极进行界面改性来调控钠的均匀沉积提供了一种有效的方法。

In situ reconstructed dual-functional interfacial layer induced by spontaneous vanadium fluoride reaction for highly stable sodium metal batteries

杨骏教授简介：江苏南通人，硕士生导师，致力于材料的创新制备及其在能源和环境方面的研究，目前在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Water Research、Materials Horizons、Carbon Energy、PNAS、SCIENCE CHINA Materials、Small、Chemical Engineering Journal等刊物发表SCI论文100多篇，累计引用5000余次。申请国家发明专利7项，其中授权4项。主持江苏省自然科学青年基金，中国博士后面上基金，参与国家杰出青年基金、江苏省杰出青年基金、973前期研究专项等。研究成果得到了国内外同行专家的认可。为Energy Storage Materis，Chemical Engineering Journal，Desalination，Journal of Colloid and Interface，Organic Letters，ACS Applied Materials&Interfaces，Journal of Alloys and Compounds、NPJ Flexible Electronics等期刊审稿人。和华东理工大学、南京工业大学、南京邮电大学、广东工业大学、常熟理工学院（本科毕设兼职导师）、中国民用航空飞行学院等有密切合作。