中科大余彦/广工芮先宏AFM：均匀的钠沉积使高能钠金属电池成为可能

钠(Na)金属作为负极，由于其固有的高理论容量(1166 mAh g^-1)、低氧化还原电位(-2.71V vs 标准氢电极)，以及其低成本和广泛的来源，是高能可充电池的最终选择之一。然而，与枝晶相关的危害严重阻碍了其实际应用。Na枝晶的形成主要源于不受控制的Na沉积行为。因此，对于无枝晶金属负极，采用适当的策略来均匀沉积Na似乎特别重要。

中国科学技术大学余彦、广东工业大学芮先宏等首先讨论了调节无枝晶Na负极均匀沉积的挑战。然后，总结了调节Na均匀沉积策略的最新进展，包括调节固液界面附近的Na⁺通量和提高双相界面的亲钠性。最后，详细强调了对高能量密度钠金属电池实际应用进一步研究的观点和重要因素。

图1 无枝晶钠金属电池各种策略的示意图

作者认为该领域的潜在方向和前景：

1)深入研究潜在的Na成核和Na枝晶形成机制。有必要在理论和实验上进行深入研究。在此过程中，应考虑界面特性。此外，还应认真考虑SEI的结构和组成。

2)先进的原位表征技术。应该开发先进的原位表征技术，以跟踪和实时监测Na成核、电化学/化学反应和枝晶形成。例如，原位TEM和SEM，可以实时捕获成核、沉积、形态演化和动态结构变化。此外，原位XPS还可以探测化学/电化学反应和SEI形成过程中化学状态和成分的演变。此外，由于Na的超高反应性，基于低温的先进技术是一种有效的方法，它可以在不改变成分的情况下获得Na负极和SEI层最真实的化学信息。通过将计算模拟与先进的原位表征技术相结合，可以全面了解Na成核、电化学/化学反应和枝晶形成的机制。

图2 界面附近的Na⁺通量

3)为中小企业探索固态电解质(SSE)。SSE具有不易燃的特性和高机械强度以抑制Na枝晶生长，因此可以成为解决钠金属电池安全隐患有前途的解决方案。然而，一些挑战也困扰着中小企业SSE的发展。例如，SSE的低离子电导率导致高界面阻抗，这会导致不均匀的Na沉积。此外，当前SSE和Na金属负极之间的低兼容性导致接触不足，这为枝晶的生长留下了空间。同时，由于SSE的致密性不足，Na枝晶将沿SSE的晶界生长，这是SSE在钠金属电池中实际应用的另一个挑战。因此，对于中小企业SSE的未来发展，协作策略是必要的。例如，将Na成核策略与兼容的SSE相结合。

4)优化高能钠金属全电池。开发用于实际应用的高性能钠金属全电池至关重要，包括优化电解质和正极与金属钠之间的兼容性。例如，SEI层的化学成分主要取决于电解液溶剂、盐和添加剂，因此调节电解液的成分以构建均匀、稳定和致密的SEI可以实现均匀的Na沉积、无枝晶生长和高CE。同时，需要具有高容量的正极（例如氧（或硫）正极）来集成高能全电池。然而，Na-O₂电池中的寄生反应和O₂穿越，以及Na-S电池中的多硫化物穿梭和严重的腐蚀现象，会严重降低全电池的整体性能。因此需要大量的努力来构建优良的正极。此外，要实现钠金属全电池的实际应用，钠金属负极、高容量正极和耐用电解液之间的兼容性应该是量身定制的。

图3 均匀钠沉积的不同策略总结

Homogeneous Na Deposition Enabling High-Energy Na-Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202110280

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