復旦大學彭慧勝教授團隊Angew Chem Int Ed:親鈉性界面調控超高容量、超高穩定性金屬鈉負極

【引言】

鈉金屬因具有高理論比容量(1166 mAh/g)，低氧化還原電位(-2.714 V vs. SHE)和儲量豐富等優點，而被認為是能補充甚至替代現有的鋰電池體系的新型高能量密度電池體系。然而，鈉金屬負極枝晶不斷形成而引起的副反應和電池內部短路等問題嚴重影響了鈉金屬電池的電化學性能和安全性。因此，如何在電池循環過程中穩定鈉金屬的沉積剝離、抑制鈉枝晶的生長，是推進鈉金屬電池實際應用的關鍵，同時也具有很大的挑戰。

【成果簡介】

復旦大學彭慧勝教授及其團隊提出通過溫和的氧等離子體處理方法，在取向碳納米管膜上修飾“親鈉”含氧官能團，實現了可調控“無枝晶”鈉金屬生長的“親鈉”碳納米管界面(O_f-CNT)。基于該界面構建的鈉金屬負極，實現了1078 mAh/g (10 mAh/cm²)的高比容量，這一數值非常接近鈉金屬負極的理論比容量(1166 mAh/g)，且該比容量在5?mA/cm²電流密度下能穩定循環接近3000小時。DFT計算表明，鈉原子與含氧官能團間強烈的相互作用是實現均勻成核和生長的關鍵。該研究中提出的通過雜原子官能團修飾碳納米材料以提升界面對堿金屬親和性的策略在高性能鈉/鋰負極及其相關電池構建中具備普適性。相關成果近期以Communication形式發表在Angewandte Chemie International Edition上，復旦大學博士研究生葉蕾、廖萌為共同第一作者，復旦大學王兵杰副教授、彭慧勝教授為論文通訊作者。

【圖文導讀】

圖1：鈉離子在傳統基底和O_f-CNT上的沉積

a)在傳統基底上沉積鈉，鈉離子集中在隨機分布的突起和缺陷處，生長成一維的枝晶; b) 在O_f-CNT中，鈉離子以親鈉性含氧官能團為核心，實現均勻成核生長，避免了枝晶生長。

圖2：Na@O_f-CNT復合電極的形貌

a-c)?O_f-CNT表面形貌及截面厚度； d-f) 面容量為5?mAh/cm²時Na@O_f-CNT復合電極的表面形貌及截面厚度;??g-i) 面容量為10 mAh/cm²時Na@O_f-CNT復合電極的表面形貌及截面厚度;??j-l) 沉積剝離循環200圈后，金屬鈉完全剝離后O_f-CNT的表面形貌及截面厚度。

圖3：Na@O_f-CNT復合電極電化學性能

a, b) 金屬鈉在O_f-CNT上的沉積剝離曲線及鈉在O_f-CNT,?CNT和銅箔表面沉積剝離的庫倫效率(1 mA/cm², 1 mAh/cm²)； c, d) 金屬鈉在O_f-CNT上的沉積剝離曲線及鈉在O_f-CNT,?p-CNT和銅箔表面沉積剝離的庫倫效率(5?mA/cm², 10?mAh/cm²); ?e) 金屬鈉在O_f-CNT,?CNT和銅箔表面恒流沉積剝離循環曲線； f) Na@O_f-CNT,?Na@p-CNT及Na@Cu電極在循環前后的電化學阻抗譜； g) Na@O_f-CNT電極的倍率性能。

圖4：Na@O_f-CNT親鈉性機理

a) DFT計算中所使用的模型； b) 鈉原子與不同含氧官能團的結合能； c, d) 鈉原子與O_f-CNT及p-CNT相互作用時局部電荷密度分布； e, f) 金屬鈉在O_f-CNT及普通基底（如，銅箔）上的生長方式。

圖5:?鈉-空氣全電池

a, b) 分別以Na@O_f-CNT，鈉片作為負極的鈉空氣電池充放電曲線； c) 以上兩種鈉空氣電池的循環性能。

【總結】

綜上所述，通過一種簡單易行的方法合成了具親鈉性的碳納米管網絡。該網絡修飾了含氧官能團，形成親鈉性界面，使得金屬鈉均勻成核并呈現獨特的二維生長特性，從而有效抑制了枝晶生長。基于該界面構建的鈉金屬負極，實現了1078 mAh/g (10 mAh/cm²)的高比容量，這一數值非常接近鈉金屬負極的理論比容量(1166 mAh/g)，且該比容量在5?mA/cm²電流密度下能穩定循環接近3000小時。以該復合電極為負極的鈉空氣電池，循環性能得到近5倍提升。該研究中提出的通過雜原子官能團修飾碳納米材料以提升界面對堿金屬親和性的策略在高性能鈉/鋰負極及其相關電池構建中具備普適性。

文獻鏈接：Lei Ye^?, Meng Liao^?, Tiancheng Zhao, Hao Sun, Yang Zhao, Xuemei Sun, Bingjie Wang*,?and Huisheng Peng*,?Sodiophilic interphase mediated, dendrite-free anode with ultrahigh specific capacity for sodium-metal batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910202.

本文由復旦大學彭慧勝教授團隊供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.