文 章 信 息
通过三重梯度框架调控钠沉积行为，实现高性能钠金属电池
第一作者：曹玮珊，刘梦月
通讯作者：王峰*，牛津*，王鹏飞* ，Adrian Fisher*
第一单位：北京化工大学
研 究 背 景
金属钠具有丰富的自然资源、高理论容量（1166 mAh g-1）以及低工作电位（-2.71 V vs SHE），因此被认为是极具发展潜力的电池负极。然而，钠金属负极在沉积/剥离过程中的枝晶生长以及体积膨胀等问题严重阻碍了其在电池中的应用。研究表明，引入三维框架基体能够有效缓解上述问题。与传统二维基体相比，三维导电/亲钠框架可通过均匀化离子/电子通量来降低局部电流密度，诱导钠均匀沉积，从而缓解钠枝晶生长和体积膨胀问题。然而，这种均一化的三维框架在近隔膜侧存在电场集中、Na+扩散速率高于框架内部的问题，仍会导致钠金属优先在表面沉积，最终诱发枝晶生长。近期的研究发现，采用亲钠位点数呈线性变化的梯度框架作为钠金属负极改性基体，能够诱导钠优先在远离隔膜一侧发生沉积，以此来抑制表面的枝晶生长问题。然而，单一的梯度设计对电场分布和离子通量的调控效果有限，设计一种具有多重结构/组成梯度的框架以实现钠沉积行为的高效调控具有重要意义。
文 章 简 介
近日，北京化工大学王峰教授、牛津教授团队与中国航天科技创新研究院王鹏飞研究员团队在国际知名期刊Advanced Science上发表了题为“Regulating Sodium Deposition Behavior by a Triple-Gradient Framework for High-Performance Sodium Metal Batteries”的研究工作。
本研究提出了一种制备三重梯度自支撑碳框架（命名为Gra-GC-MoSe2）的高效方法，该框架在亲钠位点数、孔体积和导电性三方面均具有梯度分布，实现了钠沉积行为的高效调节，有效抑制了钠枝晶生长和死钠形成。通过原位/非原位测试及理论计算表明，MoSe2及其衍生物的梯度分布可调控框架的亲钠性，孔体积的梯度分布有利于Na+扩散，电导率的梯度变化可抑制剥离过程中死钠的产生。因此，Gra-GC-MoSe2修饰的钠负极在半电池中表现出优异的循环稳定性和高平均库仑效率。在对称电池中，它可以实现超过2000小时的稳定循环，即使在10 mAh cm-2的大容量沉积条件下也能稳定工作。此外，组装的全电池也具有高能量密度和出色的循环性能。
本 文 要 点
本文通过一种简便可控易重复的方法制备出了具有三重梯度结构的自支撑框架。在纵向上亲钠位点数梯度、孔体积梯度以及导电率梯度使Na+和电子可以均匀快速扩散，从而诱导钠优先沉积在远离隔膜一侧，提高了沉积/剥离过程的可逆性。此外，多孔纳米带结构为钠的生长提供了空间，有效抑制了枝晶的形成，并缓解了负极的体积膨胀。因此，改性后的钠金属负极在半电池和全电池中均表现出了突出的电化学性能。
图1. Gra-GC-MoSe2的制备流程图及钠沉积行为示意图
图2. Gra-GC-MoSe2的截面梯度表征及四层材料的形貌、电导率相关表征
图3. 以Gra-GC-MoSe2改性钠金属负极组装的半电池及全电池性能
图4. Gra-GC-MoSe2负极的改性机制分析
图5. Gra-GC-MoSe2钠沉积过程的原位/非原位形貌表征
综上，本文提出了一种高效的三重梯度自支撑碳框架的制备方法并将框架用于金属钠负极改性。从负极到隔膜方向，亲钠位点的数量和孔体积逐渐减少，从而使Na+扩散均匀化，并诱导Na从底部向上均匀沉积。此外，导电率从底部到顶部逐渐增加，有效平衡了电子传输差异，促进了Na沉积/剥离过程的可逆性。因此，即使在高沉积容量下，三重梯度框架也能有效地诱导Na+优先沉积在框架基体的底部，并抑制枝晶的生长，从而使其在半电池和全电池中均表现出优异的电化学性能。
文 章 链 接
Regulating Sodium Deposition Behavior by a Triple-Gradient Framework for High-Performance Sodium Metal Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402321
通 讯 作 者 简 介
王峰，教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，政府特殊津贴获得者，2003年毕业于日本东京都立大学工学获工学博士学位，2003年至2006年在日本国立信州大学完成博士后研究。现任北京化工大学副校长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任，兼任北京表面工程学会第八届理事会副理事长、中国化学会能源化学专业委员会委员、教育部科技委材料学部委员。主要从事电催化材料、电化学储能材料、纳米炭材料以及应用电化学工程等领域的研究。
2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2011年获得国家杰出青年科学基金资助。先后承担了国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金区域联合基金重点支持项目、北京市科技计划项目以及企业委托项目等20余项科研项目，在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, ACS Catal., Energy Storage Mater. 等国际期刊上发表SCI学术论文共200余篇，编写英文专著1部，获国家发明专利授权50余件、欧洲和日本发明专利授权各1件，获省部级科技奖励一等奖和二等奖各1项。
牛津，教授，硕士生导师，2013年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业获工学学士学位（导师：宋怀河教授），2018年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业获工学博士学位（导师：王峰教授），2017-2018年在美国麻省理工学院联合培养（导师Prof. Jing Kong），2019-2020年在日本东京都立大学进行博士后研究工作（合作导师Prof. Kiyoshi Kanamura），2020年5月入职北京化工大学材料学院王峰教授课题组。
主要从事生物质基电化学储能材料及应用研究，近年来以第一作者或（共同）通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Energy Storage Mater.等期刊发表SCI收录论文30余篇，其中影响因子>15的16篇， ESI高被引论文3篇，ESI热点论文1篇，封面封底论文5篇，论文他引2700余次。编写英文专著1部（9万字），申请国家发明专利 16项，授权7项。入选北京化工大学青年英才百人计划（B类），担任eScience、Battery Energy、Energy Materials and Devices、Advanced Powder Materials、Tungsten等期刊青年编委。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目和企业委托项目等8项。
王鹏飞，研究员，博士生导师，国家级青年人才。本科、博士毕业于西安交通大学力学专业，2010-2012年在美国哈佛大学进行联合培养博士研究，2014-2021年在航天五院钱学森实验室工作，2022年加入中国航天科技创新研究院。现任中国航天科技创新研究院先进材料与能源中心负责人、航天超材料/超结构技术创新联盟理事长、国际宇航联合会材料与结构技术委员会委员，某领域国家级专家等。长期从事多功能材料与结构、3D/4D打印等研究，以第一/通讯作者发表SCI论文40余篇，授权/受理发明专利30余项，担任《宇航学报》、《材料工程》等期刊青年编委；主持国家级重要项目10余项。获得中国发明协会创新一等奖、航天科技集团青年科技创新成果一等奖、航天创新院突出贡献奖、“攻关建功”五院人等荣誉。
第 一 作 者 简 介
曹玮珊，女，北京化工大学硕士研究生，从事碳基电极材料研究，在Adv. Sci., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, J. Power sources等期刊发表论文5篇。
刘梦月，女，中国航天科技创新研究院工程师，2015年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业获工学学士学位，2020年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业获工学博士学位，2021-2023年在中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室进行博士后研究工作，2023年2月入职中国航天科技创新研究院。主要从事先进储能材料与器件、3D/4D打印技术等研究，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊发表SCI收录论文17篇，论文被引1200余次；申请国家发明专利5项，授权3项。主持国家自然科学基金青年项目、科技委创新引领基金项目2项。
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