锂钠合金（一石三鸟协同策略实现稳定钠金属负极）

王云晓/曹余良/吴超/侴术雷等 AEM：一石三鸟协同策略实现稳定钠金属负极

【文章信息】

原位构建亲钠成核位点和氟化钠保护层实现超稳定钠金属负极

第一作者：赵铃飞

通讯作者：王云晓*，曹余良*，吴超*，侴术雷*

单位：澳大利亚伍伦贡大学，武汉大学，上海大学，温州大学

【研究背景】

钠金属负极以其较高的能量密度和较低的工作电压，成为下一代高能能量密度电池体系的理想选择。然而钠金属负极存在的一些挑战，如界面稳定性差，死钠及钠枝晶生长等问题，一直阻碍钠金属负极的实际应用。设计三维导电网络，构建稳定的SEI膜，引入亲钠成核位点都被证明是行之有效的解决办法。然而单独使用这些策略，对钠金属负极稳定性的提高非常有限。

【文章简介】

近日，来自伍伦贡大学的王云晓高级研究员与温州大学的侴术雷教授、武汉大学的曹余良教授，上海大学的吴超教授等合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“In Situ Plating of Mg Sodiophilic Seeds and Evolving Sodium Fluoride Protective Layers for Superior Sodium Metal Anodes”的研究文章。

​该文章设计了一种负载了MgF2纳米颗粒的石墨烯气凝胶作为钠金属集流体，巧妙地将三维导电网络、亲钠成核位点、富含NaF的稳定SEI膜结合在一起，通过三者的协同作用，显著的提高了钠金属负极的循环性能。

图1. MgF2@RGO 气凝胶的合成示意图及其作为钠金属集流体的工作机理。

【本文要点】

要点一：RGO超轻三维导电网络

构建三维导电网络可以增加电极的有效面积，从而减小钠金属沉积的有效电流密度，提高钠金属负极的循环稳定性。多孔金属材料因其优异的导电性也常被用作钠金属负极的集流体，然而他们一般价格较高，密度较大，在一定程度上降低了电极整体的能量密度和经济实用性。本文通过超声剥离石墨烯，之后再通过水热组装，冷冻干燥以及烧结，实现了超轻的三维气凝胶结构，兼顾了优良的导电性，三维导电网络，和超轻的重量，从而可以实现高能量密度稳定钠金属负极的稳定循环。

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要点二：Mg亲钠成核位点

通过Mg2 离子与氧化石墨烯表面官能团的静电相互作用，将MgF2纳米颗粒均匀的负载在超薄的石墨烯片层上。MgF2纳米颗粒可以在金属钠沉积的过程中，原位转化成Mg和NaF. 其中，Mg因为与Na的合金化作用，可以作为亲钠的成核位点，引导钠金属均匀沉积在石墨烯片层上。

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要点三： 富含NaF的稳定界面层

原位生成的NaF可以参与构建稳定的SEI膜，从而保护沉积在三维集流体中的钠金属，避免副反应的进一步发生。通过三维导电网络，Mg亲钠成核位点，和NaF稳定SEI的协同作用，实现了钠金属负极长达1600 h的稳定循环。

图2. 钠金属在MgF2@RGO 集流体上循环第1周沉积(a)，第200周沉积(b)，和第200周剥离(c)的SEM电镜照片，以及相应的示意图(d)。钠金属在RGO 集流体上循环第1周沉积(d)，第200周沉积(e)，和第200周剥离(f)的SEM电镜照片，以及相应的示意图(g)。钠金属在Cu集流体上循环第1周沉积(i)，第200周沉积(j)，和第200周剥离(k)的SEM电镜照片，以及相应的示意图(l)。比例尺20 µm.

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要点四：前瞻

三维集流体设计，是一种行之有效的提高钠金属负极循环稳定性的方法。然而集流体作为非活性物质，其占整个电极的质量和体积应该越少越好。集流体在提高钠金属负极稳定性的同时，应该不牺牲整个电极的体积/质量能量密度。因此钠金属负极集流体的设计，应该向轻质、多功能方向考虑。此外，集流体对于钠金属负极循环性能的提高有限，钠金属负极循环稳定性差的本质是不稳定的SEI及持续发生的副反应。因此，钠金属的界面稳定性应该得到更多的关注。

【文章链接】

In Situ Plating of Mg Sodiophilic Seeds and Evolving Sodium Fluoride Protective Layers for Superior Sodium Metal Anodes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202200990

【通讯作者简介】

王云晓（Yun-Xiao Wang），澳大利亚伍伦贡大学超导与电子研究所研究员。2015年毕业澳大利亚伍伦贡大学获博士学位。她主要从事新型电池体系的优化和研发。以第一作者或通讯作者在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Nat. Commun., 等权威刊物上发表多篇研究性论文。文章引用6600余次，h因子为44。

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侴术雷 （Shulei Chou），教授，博士生导师，温州大学碳中和技术创新研究院院长，温州市钠离子重点实验室主任，并担任Wiley旗下高水平期刊《Carbon Neutralization》主编,《Battery Energy》副主编，以及Elsevier旗下 《Cell Reports Physical Science》和Wiley旗下《Carbon Energy》等期刊编委、材料学顶级期刊《Advanced Materials》和能源材料顶级期刊《Advanced Energy Materials》等特约编辑。

​主要从事储能系统及化学电池、新型纳米材料、复合材料等研究，特别是钠离子储能电池正负极关键材料及电解液技术研发与产业化应用。已在Science, Nature Chemistry, Nature Communications, JACS, Angew Chem, Advanced Materials, Nano Letters 等权威刊物上发表文章340余篇，高被引论文27篇，被引用20000余次，h因子77，2018年-2021年连续四年被评为全球高被引学者。

曹余良 （Yuliang Cao）, 武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师。主要研究方向是电化学能量储存与转化，内容涉及锂离子电池和钠离子电池体系。曾主持了多项国家项目，包括国家重点研发计划“新能源汽车”领域课题（1项）、973子课题项目(1项)、国家自然科学基金面上项目（4项）和区域重点项目（1项）等。近年来在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、Chem、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Nano. Lett.、Carbon Energy等国际学术期刊上发表SCI论文260余篇，他引超过21000次，h指数为80，ESI高被引论文23篇，5篇论文曾被选为ESI 1‰热点论文，连续四年入选科睿唯安（Clarivate Analytics）年度“高被引科学家”。

【第一作者介绍】

赵铃飞（Ling-Fei Zhao），分别于2013和2016年在郑州大学和长春应用化学研究所获学士和硕士学位，现于伍伦贡大学超导与电子研究所攻读博士学位。主要从事储钠电极材料结构设计、储能机制及应用的相关研究，研究方向包括钠离子电池、钠硫电池等。

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轷喆（Zhe Hu），博士，深圳大学材料学院特聘教授。获得国家自然科学基金优秀青年基金项目（海外）；2021年Clarivate（科睿唯安）全球高被引科学家（交叉领域）；2020年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（排名第五）。分别于2011年和2013年取得南开大学理学学士和材料工程硕士学位，并于2019年获得澳大利亚伍伦贡大学博士学位。一直致力于高性能电极材料在可充电二次电池领域的研发。获授权国家发明专利一项。在 Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等SCI期刊发表论文 70 余篇，被引用9000 余次，H因子45。

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【课题组招聘】

王云晓 课题组（伍伦贡大学，QS TOP 200），常年招收储能材料、催化方向博士，要求有合格英语成绩 （雅思单项6，平均6.5 或与其相当的托福等英语成绩）， 优秀申请者可获得全额奖学金。

​请联系yunxiao@uow.edu.au.

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轷喆 课题组(深圳大学)常年招收电池、电催化领域博士后，待遇优厚。

​请联系huzhe@szu.edu.cn.

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