北京理工大学白莹、李雨，Materials Today综述：钠离子电池自支撑电极的研究进展

第一作者：李树强，董瑞琪

通讯作者：李雨*，白莹*

单位：北京理工大学材料学院

传统电极通常借助粘结剂将活性物质与导电剂紧密整合，然而粘结剂往往表现出电介质性质和较差的机械稳定性。另外，粘结剂内部的强电负性基团可能会不可逆地捕获Na⁺，进一步导致电极材料比容量的损失和循环稳定性的下降。自支撑电极摒弃了对粘结剂的依赖，采用碳基或金属基底，显著增强了电池的导电性和稳定性，有望实现更高的能量密度和更长的循环寿命，尤其在柔性电池应用中具备广泛前景。最近，随着新兴柔性电子产品如Apple Vision Pro等的问世，对自支撑电极的性能和稳定性提出了更高的要求，催生了对这一领域更深层次的研究。

本综述全面概述了钠离子电池自支撑电极材料的最新进展，深入讨论了各种自支撑电极材料的合成方法，分析了它们的结构特性与性能表现。同时，针对这些材料的潜在局限性，探讨了对应的优化策略。在论述中，特别关注了当前领域所面临的挑战和潜在机遇，包括先进自支撑电极材料的探索、制备技术的优化、界面工程的设计、多尺度表征的应用，以及安全性和可靠性等重要因素。通过对当前研究现状的批判性评估和对关键领域的深入识别，本综述旨在深化对钠离子电池自支撑电极的理解，为未来设计制造具有更高能量密度、更长循环寿命的柔性钠离子电池提供支持，进而推动柔性钠离子电池技术在各能源存储系统中的实际应用。

基于此，北京理工大学材料学院的白莹教授/李雨副研究员团队，在国际顶级材料期刊《Materials Today》上发表了题为“Advances in free-standing electrodes for sodium ion batteries”的综述文章。本综述全面介绍了钠离子电池中碳基和金属基自支撑电极材料的研究进展（图1）。同时，评估了当前自支撑电极材料面临的问题，并提出了有效的解决策略。旨在通过解决这些问题，推动柔性钠离子电池的广泛应用。

石墨烯、碳纳米纤维、碳布和碳纳米管等碳基材料，凭借其优异的导电性和柔韧性，成为构建高性能自支撑正极的理想选择。这类材料具有较高的电导率，能够有效提升电池的循环寿命和倍率性能。然而，在其实际应用中仍面临一系列挑战，如可伸缩性差、长期稳定性不佳和低振实密度等。为了克服其可伸缩性差的问题，研究者们通过结构设计和界面改性等手段，实现了碳基自支撑正极材料的进一步优化。例如，通过构建多孔结构、引入导电聚合物或者进行合理的界面工程设计，改善了碳基材料的可伸缩性，增强了电池的整体性能。另一方面，在金属基自支撑正极的研究中，通过在金属基底上生长过渡金属基阵列，性能显著提升。然而，目前仍面临一些挑战，如怎样优化阵列形态、如何深入理解界面相互作用以及进一步探索可替代的过渡金属基阵列及其与不同金属基底的相互作用等问题。未来的研究应重点解决这些问题，通过深入理解材料本身的结构与性能之间的关系，精准设计自支撑正极材料的结构和组分。同时，通过界面工程等手段，提高自支撑正极材料与电解质之间的界面相容性，实现更优异的电池性能。

自支撑负极的设计旨在克服传统负极材料的缺陷，如体积膨胀和离子传输速率慢等问题。选择碳基或金属基作为支撑，既确保了良好的电导率和结构稳定性，又能缓解负极材料在循环过程中的体积膨胀。碳基自支撑负极采用优化的多孔结构和杂原子掺杂等策略，尤其是石墨烯等材料，展现出优异的电子导电性和柔韧性，与红磷等活性材料的复合进一步提升了其储钠性能。在金属基自支撑负极方面，通过在金属基底上生长活性材料，如铜磷纳米线阵列、钛氧化物纳米管阵列，通过优化生长条件改善了其电化学性能。然而，自支撑负极仍需解决基底与活性材料间的界面稳定性和在不同应变状态下的性能维持问题，采用表面涂层和界面工程等策略可显著提升自支撑负极性能。

自支撑电极在柔性电子学中备受关注，尤其在可穿戴电子设备领域，如可穿戴手表和健康监测皮肤传感器。这些电极需要具备柔韧性、轻量、适应性和生物相容性等特点。自支撑电极通过独特的结构实现了天然柔性、轻质和适应性。在柔性钠离子电池方面的研究已经取得了重要突破，例如采用互连框架的自支撑电极，可以实现结构的稳定性和体系的高能量密度：通过整合Na₃(VO)₂(PO₄)2F和VO₂纳米片的高能量密度钠离子储能器件，以及设计Na₂Ti₃O₇@N-GQDs和Na₃V₂(PO₄)₃@NC/CTs等自支撑电极，成功克服了机械应力下的挑战，同时保持了系统的稳定性。这些创新设计为实现柔性储能系统的高效性提供了可行途径。

自支撑电极在柔性电池领域表现卓越，但仍面临挑战，包括低振实密度、高成本和复杂生产工艺等（图2）。未来研究应着眼于解决这些问题，并探索可行的应对策略。具体而言，应关注以下方面：

先进电极材料：应重点研发新型碳基材料、过渡金属氧化物等材料，并通过创新手段如分级纳米结构设计等解决碳基材料低振实密度的问题。

先进制造技术：采用高效制造方法，如卷对卷印刷、喷涂等，并结合机器学习和人工智能以提高生产效率。

多尺度表征：结合高分辨率成像和表面敏感技术，全面了解电极材料的结构、化学和表面信息，并以此为基础优化电极材料设计，提升电池性能。

界面工程与安全性：提高电极与电解质之间的界面稳定性，并研发成本与性能平衡的先进电解质。

安全性与可靠性：在恶劣条件下确保柔性钠离子电池的安全性和可靠性，并深入研究老化机制，制定寿命预测模型。

以上策略将推动自支撑电极和柔性钠离子电池的发展，促使其在不同领域得到更广泛的应用。

Advances in free-standing electrodes for sodium ion batteries

李雨 副研究员简介：北京理工大学副研究员。入选中国博士后创新人才支持计划（“博新计划”），作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目/青年项目、博士后科学基金面上一等资助、北京理工大学研究生科技创新活动专项；并参与国家973计划、省重点研发计划、北京市教委科学研究与研究生培养共建项目等。

白莹 教授简介：北京理工大学教授，博士生导师，入选英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才。从事先进二次电池、轻质储氢等新型储能材料研究，主要包括锂/钠/锌电池等体系的关键材料、电极与电解液界面稳定性、电池热分析与热安全等基本科学问题。作为负责人主持国家863计划课题、国家自然科学基金、国家基础研发课题、国家重大专项课题等项目。

李树强：北京理工大学材料学院在读博士生。

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