科研动态 | 哈工大航天学院/郑高院先进光电研究团队发表封面文章报道
无阳极钠离子电池研究重要进展
（王珍珠/文图）近日，哈尔滨工业大学航天学院/郑州高等研究院先进光电研究团队在无阳极钠离子电池领域取得重要进展。研究团队系统地梳理了当前面向无阳极钠离子电池（AFSIBs）的集流器改造策略与研究进展，重点从材料亲钠性调控和结构设计两个维度展开论述。相关研究成果以《高能量密度无负极钠离子电池的先进集流体设计》（Advanced Current Collector Design for High Energy Density Anode-Free Sodium-ion Batteries）为题，并以当期封面形式发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《电子》（Electron）上。
图1. 封面图片
封面设计理念
本期封面设计以2025年11月12日正式启用的哈尔滨工业大学郑州高等研究院（简称“郑高院”）弘毅楼为灵感来源，封面将弘毅楼与无阳极钠离子电池相融合，直观彰显高能量密度的技术优势；诠释郑高院先进光电技术研究院“遵循规律 守正创新 激情进取 追求卓越”的使命担当，展现郑高院在科技创新与能源应用赛道续写高质量发展新篇的奋进姿态。
文章简介
无阳极钠离子电池（AFSIBs）通过完全摒弃传统阳极活性材料，仅依靠在集流器表面可逆地电镀和剥离钠来实现能量存储，从而从根本上解决了传统钠离子电池在能量密度和安全性方面的固有局限，使其有望成为下一代高能量“超级锂电”化学储能体系的有力候选者。然而，这种创新设计也对集流器提出了前所未有的严苛要求，使其成为决定电池整体性能的关键组件。本文系统梳理了当前面向 AFSIBs 的集流器改造策略与研究进展，重点从材料亲钠性调控和结构设计两个维度展开论述。通过全面评述不同亲钠材料改性、界面功能调控、多孔结构构建以及梯度工程对电池性能的影响机制，总结了提升集流器电化学行为的关键要素。在此基础上，本文进一步探讨了该领域当前面临的挑战与未来机遇，并为高性能无阳极钠离子电池的发展提出了新的研究方向。
Na+在AFSIBs集流体的成核机制
AFSIBs采用创新的“零负极”架构，在充放电过程中保持了与传统“摇椅式”电池相似的工作原理，通过钠离子在集流体表面的可逆电化学沉积构建动态金属钠负极。尽管其沉积-溶解行为与传统钠金属电池类似，但由于正极中Na⁺的供给量有限，电池性能受到明显制约。因此，集流体上钠的成核与生长行为、以及镀钠/剥离过程的可逆性，对电池的循环稳定性具有决定性影响。深入理解集流体表面的钠成核机制，对设计具有高效沉积/溶解能力和长循环寿命的集流体至关重要。本文通过对成核过程热力学行为的系统分析，明确指出小尺寸成核会引发三大问题：界面副反应加剧、SEI膜反复破裂与重组、以及枝晶生长恶化，并进一步提出通过构建亲钠界面层和设计三维多孔结构以优化钠沉积形态，最终强调实现对集流体的精准调控是保障AFSIBs高效稳定运行的核心关键。
图2. (A-B) AFSIBs的充放电机制示意图; (C) 恒电流沉积钠的电压-时间曲线; (D) 异质成核的自由吉布斯能变化。
集流体表面优化
在无阳极钠金属电池（AFSIBs）中，钠沉积行为高度依赖于集流体界面特性。传统集流体（如Cu、Al）表面钠成核势垒高，易导致枝晶生长和副反应，制约电池性能。为此，研究主要通过三种表面优化策略对集流体改性：一是采用碳基材料（如硬碳、杂原子掺杂碳）提升亲钠性，降低成核过电位，实现均匀沉积，但面临碳层体积变化和工艺复杂的问题；二是引入亲金属涂层（如Sb、Sn、Au），利用合金化反应大幅降低成核势垒，实现致密钠层，但合金化过程消耗活性钠且体积效应显著；三是构建人工界面层或催化位点（如Zn、Ru），引导形成高离子电导、高机械强度的稳定SEI，抑制枝晶，然而其规模化制备和成本控制存在挑战。当前改性手段虽显著提升了库伦效率（＞99.9%）和循环寿命，但仍需解决不可逆钠损失、界面稳定性及工艺放大等问题，未来需开发兼具高效、稳定与可规模化特征的集流体调控技术。
图3. (A) Al和 E-Zn@Al界面的开尔文探针力显微镜图; (B) Al 和 E-Zn@Al 上的 SEI 的成分、结构; Ru/NC-Cu 和 Cu 表面 (C) SEI 的组分分布、(D) 力曲线和 (E) Cryo-TEM 图像。(F) Na在载有/未载有HCOONa 界面的层在Cu表面的沉积机制。
集流体结构设计
集流体的结构设计对调控钠离子通量分布、抑制枝晶生长至关重要。目前主要策略包括多孔结构和梯度结构设计。多孔集流体（如金属泡沫、碳纳米管阵列）通过增大比表面积显著降低局部电流密度，引导钠在孔隙内均匀沉积，并有效缓解体积变化，但过高的比表面积也会加剧副反应并影响离子电导率。梯度结构集流体（如梯度亲钠或梯度导电设计）则通过沿厚度方向的物化性质变化，引导钠从底部向上沉积，避免枝晶穿透隔膜。多维梯度协同设计可进一步优化离子/电子传输路径，实现更稳定的沉积。然而，这些结构设计也面临制备工艺复杂（如化学气相沉积、3D打印的效率与精度限制）、多参数协同优化困难、和宏观放大时结构一致性与成本控制等挑战，制约产业化应用。
图4. (A) NiSA/QD@CFs镀Na示意图; (B) SnNCNF;
(C) 不同放电/充电状态下 SnNCNF 的电极形态。
总结与展望
图5. AFSIBs集流体的未来发展趋势。
无阳极钠离子电池因具有高能量密度和良好安全性而成为有前景的储能技术，其性能高度依赖集流体设计。目前研究主要通过亲钠表面改性和多维结构设计提升集流体性能。为实现商业化，未来重点包括多功能集成设计：发展兼具钠沉积调控、自修复、耐腐蚀和环境友好等多功能一体的集流体，并配套低成本、可规模化制备工艺；机器学习辅助优化：结合大数据筛选与多物理场建模，高效设计具有优良亲钠性、导电性及循环稳定性的集流体结构；多尺度原位表征联用：通过实时观测钠沉积行为与界面演化，揭示机制，为材料与结构设计提供依据；全生命周期评价：系统评估集流体从原料、制备到回收的全过程环境影响，确保其可持续发展属性。通过以上策略，AFSIBs集流体有望加速从实验室研究走向产业化应用，为下一代高性能、高安全钠电池发展奠定基础。
哈工大为论文第一完成单位和通讯单位，哈工大航天学院/郑高院宋波教授、苏州大学倪江锋教授为论文共同通讯作者，哈工大郑高院博士后副研究员王珍珠、哈工大郑研专项博士生宋佳为论文第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金会、黑龙江省头雁团队以及哈工大郑高院院设科研项目的大力支持。
新闻小链接
《电子》是由哈工大携手威立出版集团（Wiley）共同创建的国际性、高水平的开放获取学术期刊，期刊由韩杰才院士担任主编，由黄维院士、俞书宏院士、顾宁院士等担任副主编，编委会汇聚了包括诺贝尔化学奖得主在内的10余名国内外著名院士，近百名领域内知名专家学者，旨在发表能源、环境、生物医学、人工智能、电子信息等领域的材料基础理论和器件应用前沿成果，助推可持续发展。
论文链接：
http://dx.doi.org/10.1002/elt2.70013
编辑&排版：杨贝
责任编辑：梅鹏飞
审核：张懿文、宋波
