【儀表網 研發快訊】近日，廈門大學材料學院王鳴生、程勇團隊在無負極鈉金屬電池研究方向取得重要進展，相關研究成果以“Sodiophilic Hosts with Pseudocapacitive Kinetics for Robust Anode-Free Sodium Metal Batteries”為題發表于Angewandte Chemie-International Edition。
無負極鈉金屬電池(AFSMBs)因其高理論能量密度與簡化制造流程而備受關注，但受限于無預置鈉負極的體系特征，其對鈉沉積均勻性與界面穩定性提出了更為嚴苛的要求。采用碳基宿主修飾集流體是當前應對上述挑戰的主流策略之一，然而碳材料本征親鈉性不足且界面穩定性有限，仍在一定程度上制約性能提升。盡管在碳基宿主中引入合金/轉化型活性位點可有效誘導鈉形核，但其在反復沉積/剝離過程中易發生劇烈體積變化，導致結構粉化與活性衰減；尤其在無負極體系中，鈉的完全剝離使活性位點周期性暴露，進一步加劇結構與界面失穩。此外，過強的鈉-位點相互作用通常伴隨遲緩的脫附動力學，而復雜的制備工藝亦限制了其規模化應用。因此，構筑兼具界面穩定性、快速動力學與可規模制造性的碳基宿主，是推動AFSMBs走向實用化的關鍵。
有鑒于此，研究團隊提出一種集成贗電容動力學與親鈉特性的碳宿主設計策略。通過一步原位自組裝方法，將正交相Nb2O5均勻錨定于無定形碳納米管表面得到TNO@aCNTs，實現對鈉形核行為的持續調控。結果表明，TNO活性位點通過可逆表面氧化還原反應促進鈉形核，在保持結構穩定的同時有效降低活性鈉損耗并加速離子傳輸，從而誘導均勻可逆的鈉沉積行為。受益于此，TNO@aCNTs在(8 mA cm-2/4 mAh cm-2)下循環800次仍保持99.98%的平均庫侖效率，對稱電池循環壽命超過900 h。進一步地，匹配高面載量磷酸釩鈉正極(15/30 mg cm-2)的全電池及軟包電池均展現出優異的能量密度、倍率性能與循環穩定性。此外，該策略具備單次數十克級并可放大至千克級的制備能力，同時可拓展至TiO2、V2O5等多種贗電容材料體系，為構筑高能實用化無負極金屬電池提供了一種通用設計框架。
廈門大學材料學院為本論文唯一完成單位，第一作者為材料學院2023級碩士研究生李成林，2024級碩士研究生唐藝洋、2022級碩士研究生王旭誠提供了協助，本研究由材料學院王鳴生教授與程勇助理教授共同指導。本工作得到了國家自然科學基金(22509168、52172240)、中央高校基本科研業務費專項資金(20720240071、20720230043)、福建省自然科學基金(2024J08015)、廈門市自然科學基金(3502Z202473001)、中國博士后科學基金(2022M712655)以及廣東省基礎與應用基礎研究基金(2026A1515012347)的資助。
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