厦门大学 | 董全峰教授团队JMCA | 钠金属负极：聚焦电沉积过电位- 大数跨境

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厦门大学 | 董全峰教授团队JMCA | 钠金属负极：聚焦电沉积过电位

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2021-09-18

导读：该观点文章阐述了电沉积过电位与钠沉积行为密切相关，其往往取决于Na host的固有特性。

文章信息

调控电沉积过电位实现高可逆钠金属负极

第一作者：徐攀，厉昕（共同一作）

通讯作者：袁汝明*，董全峰*

单位：厦门大学

研究背景

钠元素在地球上储量丰富，室温下可用的钠离子电池超越锂离子电池成为了极具发展潜力的储能器件。钠金属负极材料具有极高的质量比容量(1166 mA h g-1)和低的还原电位(与标准氢电极相比-2.714 V)，被认为是一种理想的可充电电池负极材料。但不可控的钠枝晶的形成会刺穿隔膜导致电池短路。

此外，钠沉积/溶出过程中引起的体积膨胀导致界面不稳定、内应力变化和固态电解质界面(SEI)开裂，从而耗尽Na+存储，并消耗电解液，导致在充放电循环过程中库仑效率不断降低。

文章简介

基于此，来自厦门大学化学化工学院董全峰教授团队，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影响因子：12.732）上发表题为“A Highly Reversible Sodium Metal Anode via Mitigating Electrodeposition Overpotential”的观点文章。

该观点文章阐述了电沉积过电位与钠沉积行为密切相关，其往往取决于Na host的固有特性。在此，董全峰教授团队成功地通过电化学原位合金化反应引入了一种具备极好亲钠性的 Na-Cu-P 复合材料，可以大大降低 Na 沉积过程中的尖端电位和生长/成核过电位，从而实现稳定且高度可逆的 Na 电镀/剥离行为。

TOC图. 磷化铜网作为Na host实现高效稳定地Na沉积行为。

文章要点

要点一：电沉积过电位与基底固有特性的关联

电沉积过电位往往反映了金属沉积过程的难易程度。其中，尖端电位用于评价电化学过程中碱金属成核的势垒。生长过电位常反映钠持续沉积的难易程度。

此外，成核过电位是前两者和亲核性的综合表现，可以定量表征基底上金属原子的成核和生长程度。因此，为了在Na沉积过程中在基底上实现均匀的Na成核，迫切需要一种对Na吸附强且具有良好导电性以表现出低成核过电位、小的尖端电位和生长电位的亲钠基底。

要点二：一步温和的气相磷化法制得亲钠性磷化铜网（PCM）

新颖的亲钠基底不仅需要方便可行的制备方法，还需要满足在商业化大容量条件下快速充放电的能力。基于此，要实现快速的充电/放电过程，优异的亲钠性和快速的离子/电子转移是促进电化学反应动力学过程的关键因素。Cu-P化合物（Cu3P）兼顾优异亲钠性和离子传导率从而实现钠的均匀电镀和剥离。

同时，作者在锂金属负极保护的工作上所采用的磷化基底也发挥着相类似的作用，其工作发表于Energy Storage Mater., 2020, 28, 188-195；Energy Storage Mater., 2021, 38, 190-199。

作者经一步温和的气相磷化法合成了磷化铜网（图1），并首次作为亲钠性钠寄主基底（PCM）。受益于电化学原位合金化反应引入了一种具备极好亲钠性的 Na-Cu-P 复合材料，PCM负极展现出优异的钠亲和力（图2，图3），缓解体积膨胀，促进局部电流分布以及诱导Na+均匀沉积的特性（图4）。

图1. 磷化铜网的制备与表征。

图2. 亲钠性Na-Cu-P复合材料的表征与DFT亲钠性验证。

图3. 亲钠性验证：磷化铜网的高温熔融浸钠测试。

图4. 钠沉积形貌表征。

要点三：亲钠性Na-Cu-P复合材料调控电沉积过电位，提升电化学性能

受益于亲钠性Na-Cu-P复合材料具有快速的电子/离子导电性和对钠的强吸附能力，并作为亲钠位点显著改善了钠的电镀/剥离行为，从而大大提高了电化学可逆性。

因此，PCM电极可以实现在半电池中高库伦效率的长期循环性能（5 mA cm-2-1 mAh cm-2：>1000次循环；5 mA cm-2-20 mAh cm-2：>50次循环）（图5），并在对称电池中0.5 mA cm-2至10 mA cm-2的电流密度范围内表现出超低的电沉积过电位。

此外，PCM@Na||PB全电池具有出色的长期循环稳定性（1 C，160 次循环）和高倍率能力（0.2 C 至 5 C）（图6）。在更广泛的背景下，我们从调节电沉积过电位的角度考虑，为实现高效/安全的钠金属电池提供了新思路。

图5. 磷化铜网的半电池性能。

图6. 磷化铜网的对称电池和全电池性能。

文章链接

A Highly Reversible Sodium Metal Anode via Mitigating Electrodeposition Overpotential

https://doi.org/10.1039/D1TA05270E

通讯作者简介

董全峰，厦门大学特聘教授，博士生导师，军委科技委基础加强计划项目首席科学家、装备发展部高分重大专项专家组成员、中国电池工业协会常务理事。

长期从事电化学储能系统及关键储能材料研究，主持军工项目、国家“973”计划课题、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、省重点项目、厦门市重大专项等项目的研究。在国际重要期刊包括Nature Commun.，JACS，Chem，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano等上发表SCI收录论文150余篇，获得国家发明专利30余件。曾获全国信息产业科技创新先进个人、全国电池行业首批技术专家、福建省科技进步奖等、厦门市科技进步奖等。