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导读
导师解读（吴明红教授）
钠金属电池是具有前景的高比能电池体系之一。近年来，针对钠金属负极的研究也受到了国内外科研工作者的广泛关注。钠枝晶的形成一直是困扰钠金属负极的最主要问题之一，而其形成与初期成核密切相关。因此，控制初期成核能够有效地调节钠金属负极的沉积/剥离行为。
本研究中，我们利用“核-壳”结构的碳包覆多孔锑纳米颗粒作为成核缓冲层，发挥多空锑核与外在碳层的协同作用，在醚类电解液中有效地改善了钠金属的沉积/剥离行为，实现了钠金属负极在高容量条件下长循环性能的大幅提升，为后续该领域的研究开辟了一种新的思路。
背景简介
人们对便携式电子产品和电动汽车的需求不断增加，促进了传统锂离子电池(LIBs)以外的新电池技术迅速发展。钠离子电池(SIB)因其丰富的自然资源和低的成本而被认为是LIBs的理想替代品。为了实现SIBs的商业化，在提高SIBs的能量密度方面已经做了大量的工作。
对于SIBs的负极侧，金属钠负极(SMAs)超出了传统的基于Na+化学插层原理材料的容量，在所有可能的负极材料中表现出最高的理论容量(1166 mA h g-1)和低的氧化还原电位(2.71 V vs SHE)。此外，它们也是下一代高能量密度Na-O2和Na-S电池所不可缺少的电极，其理论比能量密度可达1602 Wh kg-1和1230 Wh kg-1，高于目前商业化的锂离子电池(250 Wh kg-1)
2. SMAs的现有不足
然而，SMAs在循环过程中仍然面临着几个关键问题，主要是钠枝晶的形成以及金属钠与电解液之间的化学副反应。钠枝晶的积累，源自不均匀的钠沉积，可能会穿透隔膜，造成短路。此外，具有高比表面积的钠枝晶在循环过程中会反复破坏已形成的固态电解质界面(SEI)，加速电解液与钠的相互消耗，促进由SEI包覆导致的失活(死)钠的形成。这些严重的问题将导致电池库仑效率的降低和电池寿命的缩短。同时，死钠的形成也会增加电池的电压极化和界面电阻。
3. 解决以上问题的一般策略及其局限性
当前，学术界已经开发了多种方法，包括使用基于醚类的电解液来引导钠电镀/剥离，引入三维集流器来降低实际电流密度，以及在SMAs表面上构建人工SEI。尽管这些方法可以减缓钠枝晶的生长，但在高电流密度和大容量下实现无晶枝钠的沉积/剥离仍是一个挑战。原则上，钠枝晶的形成与金属钠在初始阶段的成核以及成核后的后续生长有关。初始成核位点在随后的钠沉淀行为中起重要作用。因此，调节初始成核位点的数量和分布是实现金属钠均匀沉积的关键。
图1. 图片概要
文章介绍
多孔Sb型芯具有较高的表面积和非常低的钠成核势垒，并提供了丰富的初始成核位点。外部碳壳能够防止多孔Sb-NPs在循环过程中团聚，确保Sb-NPs在长期使用过程中的高效功能。因此，以C@Sb涂敷的铜箔(C@Sb@Cu箔)为电极的电池显示出前所未有的循环稳定性，在4 mA h cm-2和6 mA h cm-2的高沉积容量下，可分别电镀/剥离近6000 h和2600 h。
第一作者解读
近年来，钠金属负极因其超高容量和低氧化还原电位受到广泛关注。由于储量远胜于锂，钠具有低成本优势，因此钠电池也被认为是锂电池的有利替代。与锂金属负极面临的问题类似，钠金属负极的枝晶问题也十分严峻。钠枝晶生长不仅严重限制了性能的发挥，更容易导致安全隐患、加速其与电解液之间的副反应，钠金属电池的实际应用与产业化也因此受限。钠枝晶的产生受初期成核与后期生长影响。
图二.
(a) Schematic illustration for the synthesis of C@Sb NPs and the sodium plating/stripping on C@Sb@ Cu foil. (b) TEM image and (c) XRD pattern of C@Sb NPs. (d) Comparison of the sodium nucleation overpotential for bare Cu, HCS@Cu, and C@Sb@Cu foils. Galvanostatic plating was performed at the current density 1 mA cm-2 . Inset: the sodiation plateau of C@Sb NPs.
导师点评（吴明红教授）
由于安全问题被迫搁置的碱金属负极相关研究近年来又重新进入科研工作者的视野。得益于纳米材料科学和界面工程化学的飞速发展，碱金属电池相关领域的研究方兴未艾。作为碱金属之一，金属钠负极具有成本低、资源丰富等优点，是下一代高比能电池技术最受青睐的选择之一。
然而，钠金属枝晶的形成和与电解液之间的副反应也极大程度地限制了钠金属电池的产业化发展。各国科研工作者们采用了诸多策略来抑制钠负极枝晶的形成和副反应，比如引入人工SEI，改性隔膜，使用特定电解液，改善电极结构等方法。但就目前而言，在高电流密度、高容量的条件下，如何保持优异的长循环性能，依旧是钠金属负极面临的难点之一。如果高效并持久地抑制钠金属枝晶的形成以及副反应，将是钠金属电池未来的研究重点之一。
文章链接:
Core−Shell C@Sb Nanoparticles as a Nucleation Layer for High Performance Sodium Metal Anodes
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01257?fig=tgr1&ref=pdf
导师简介:
吴明红 上海大学，教授，博士生导师
长期从事有机污染物削减控制相关基础理论与工程应用研究，在碳基复合材料应用于挥发性有机污染物及有机高盐废水的综合治理等领域取得了一系列创新性成果，相关技术应用于中船、中石化、煤化工等重要工业行业的有机污染物治理工程。获国家发明专利50多项，出版专著2本，以通讯作者或第一作者在Nature、Nature Chemistry、ES&T、AM等学术刊物上发表论文200多篇，论文SCI他引14000多次，入选全球高被引学者。先后获国家自然科学二等奖2项（排第一、第五）、省部级科技奖一等奖3项（2项排第一、1项排第二）、中国工程院光华工程青年科技奖、全国模范教师、全国巾帼建功立业标兵、新中国60年上海百位杰出女教师、上海市巾帼创新奖、三八红旗手标兵、上海市十大科技精英等奖励或荣誉称号。
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