（张文佳/文图）近日，哈工大航天学院、郑州研究院先进光电技术研究院新能源半导体研究领域宋波教授团队与河南省科学院材料研究所宋克兴教授团队合作，通过简单的原位化学镀法在钠金属表面原位构筑了银界面层，得到Ag-Na电极，并应用于钠金属电池。Ag-Na电极具有良好的亲钠性，促进钠在负极表面的均匀沉积，缓解了枝晶生长问题。更重要的是，该银界面层还能诱导形成富含NaF的SEI，不仅抑制了副反应的发生，还大幅提升了界面稳定性，显著改善了钠金属电池的循环性能。该研究工作发表以《亲钠界面诱导形成富含氟化钠的固体电解质界面以实现钠金属电池在严苛条件下的稳定运行》（Sodiophilic Interface Induces a NaF-Rich Solid Electrolyte Interface for Stable Sodium–Metal Batteries under Harsh Conditions）为题发表在国际著名期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。以下为该论文详细情况：
【研究背景】
钠金属电池（SMBs）因储量丰富的钠资源以及环境友好等特点受到广泛关注。但是，钠金属负极的“致命缺陷”同样不容忽视：在反复充放电过程中，钠易在负极表面不均匀沉积，进而形成尖锐的钠枝晶。这些枝晶不仅会刺破电解质界面层（SEI），还会在断裂后形成“死钠”，造成电极/电解液界面不稳定以及不可逆容量损失，严重时甚至可能会刺穿隔膜，导致短路等安全问题，限制了钠金属电池的发展与应用。
【内容简介】
本工作报道了一种表面构建有亲钠银层的钠金属负极（Ag-Na），有效抑制钠枝晶的生成、显著增强了电解液/电极界面的稳定性，实现了钠金属电池常温和低温性能的显著提升。研究工作要点如下：
（1）通过实验测试结果以及理论模拟分析得出Ag-Na电极具有较好亲钠性，银层作为成核位点，可以降低钠的形核势垒，调控钠的沉积行为，促进钠的均匀沉积/剥离，抑制钠枝晶的生长并且能够减少“死钠”的形成。
（2）由于Ag层对PF6⁻具有更强的吸附能力，因此Ag-Na电极表面能够诱导形成富含NaF的SEI，能够有效降低电荷转移电阻，提高交换电流密度，加快Na+的界面迁移速率并且稳定钠金属/电解液界面。
（3）Ag层的引入有效提升了电池的电化学性能。具体体现在3 mA cm⁻2的电流密度下，Ag-Na||Ag-Na对称电池表现出14 mV低极化电压和1000 h长循环寿命，优于其他已报道的基于钠金属改性的对称电池循环寿命。此外，Ag-Na||NVP全电池在2 C、10 C和20 C的倍率下表现出优异的容量和长循环稳定性及良好的倍率性能。在N/P=1，低温以及高负载的条件下，Ag-Na负极同样展现出较好的电化学性能，尤其是在–20°C下稳定循环500圈后仍能保持99 mAh g⁻1的放电容量，表现出较好的环境适用性。
【图文简介】
图1 （a）Bare Na和Ag-Na电极表面钠沉积行为的示意图；（b）Na/Na以及Ag/Na之间的吸附能计算；（c）钠在Bare Na和Ag-Na基底沉积时电场分布的有限元模拟图。
图2 （a）Ag⁻在Ag-Na电极中的三维分布图；（b）Ag-Na电极的Ag 3d XPS谱图；（c）Ag-Na电极表面的SEM图；Bare Na电极和Ag-Na电极表面在（d，g）钠的沉积容量为0.5 mAh cm⁻2；（e，h）钠的沉积容量为5 mAh cm⁻2；（f，i）钠的剥离容量为5 mAh cm⁻2时的SEM图。
图3. （a）电流密度为3 mA cm⁻2、容量为3 mAh cm⁻2；（b）电流密度为4 mA cm⁻2、容量为2 mAh cm⁻2下Ag-Na||Ag-Na和Bare Na||Bare Na对称电池的电压-时间图；（c）Ag-Na||Ag-Na和Bare Na||Bare Na对称电池倍率性能对比图；（d）Ag-Na||Ag-Na对称电池循环寿命与已发表工作的对比图；（e）Ag-Na||Ag-Na和Bare Na||Bare Na对称电池的Tafel曲线。
图4. Bare Na电极和Ag-Na电极循环10圈后形成的SEI在不同蚀刻深度下（a）Ag 3d，（b）F 1s，（c）C 1s，（d）O 1s的XPS谱图。
图5. （a）Bare Na||NVP和（b）Ag-Na||NVP全电池的结构示意图；（c）Bare Na||NVP和Ag-Na||NVP全电池循环50圈后的Nyquist图；（d）Bare Na||NVP和Ag-Na||NVP全电池在20 C倍率下的循环性能；（e）Bare Na||NVP和Ag-Na||NVP全电池的倍率性能对比图；（f）Ag-Na||NVP全电池在不同速率下的放充电曲线；（g）Ag-Na||NVP全电池在-20℃下的循环性能；（h）Bare Na||NVP和Ag-Na||NVP全电池在不同温度下的循环性能；（i）Bare Na||NVP和Ag-Na||NVP全电池在N/P=1下的循环性能。
结论：
综上所述，本工作通过简单的原位化学处理，在金属钠表面构建了银界面层，显著提升了电极的亲钠性，降低了钠沉积的成核势垒与电荷转移阻抗，加速了Na⁺的迁移速率，实现了均匀的钠沉积行为并有效抑制枝晶生成。同时，银界面诱导形成富含NaF的稳定SEI结构，显著增强了电解液与金属钠界面的稳定性。这项研究验证了Ag-Na电极在多种复杂工况下的优越性能，为钠金属电池在极端条件下的实用化提供了可靠的解决方案与广阔的应用前景。
哈工大航天学院、郑州研究院先进光电技术研究院宋波教授，河南省科学院材料研究所宋克兴教授、卢琼琼老师为论文共同通讯作者；哈工大产教融合郑州项目航天学院硕士研究生张文佳（与河南省科学院联合培养）为论文第一作者。
本工作得到国家自然科学基金、河南省科技与项目联合基金、河南省科技发展项目等项目支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06612
责任编辑：梅鹏飞
审核：张懿文、王凯熙
