由于钠金属具有高理论比容量 (1166 mAh/g)、低氧化还原电位 (-2.714 V vs. SHE)、储量丰富等优点，以钠金属为负极的钠金属电池有望应用在新型高能量密度电池体系，以此补充甚至替代现有的锂电池体系。然而，因钠金属负极枝晶不断形成而引起的副反应和电池内部短路，严重降低了钠金属电池的电化学性能和安全性。因此，如何在电池循环过程中稳定钠金属的沉积剥离、抑制钠枝晶的生长，是促进钠金属电池应用发展的关键，同时也具有极大的挑战性。
近日，复旦大学彭慧胜（点击查看介绍）团队通过氧等离子体处理方法，在取向碳纳米管膜上修饰“亲钠”含氧官能团，实现了可调控“无枝晶”钠金属生长的“亲钠”碳纳米管界面 (Of-CNT)。基于该界面构建的钠金属负极，实现了1078 mAh/g (10 mAh/cm2) 的高比容量，这一数值非常接近钠金属负极的理论比容量 (1166 mAh/g)，且该比容量在5 mA/cm2电流密度下能稳定循环接近3000小时。在亲钠性含氧官能团的引导下，金属钠的沉积过电势得到了明显改善，在电极表面实现了均匀成核，且在随后的生长过程中倾向于“二维生长”，沉积、剥离过程中始终未出现明显的枝晶问题。同时，得益于取向碳纳米管骨架高比表面积和结构稳定性，该“亲钠”界面也能有效降低沉积时的局部电流密度，限制沉积过程中钠金属引起的体积膨胀。基于该界面所构建的钠氧电池亦表现出良好的循环稳定性。该研究中提出通过杂原子官能团修饰碳纳米材料以提升界面对碱金属亲和性的策略，在高性能钠/锂负极及其相关电池构建中具有较好的普适性。
图1. Of-CNT调控的“无枝晶”钠金属沉积过程示意图。
图2. Na@Of-CNT电极的电化学性能。
图3. Of-CNT调控的钠金属成核及生长过程。
相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。
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A Sodiophilic Interphase‐Mediated, Dendrite‐Free Anode with Ultrahigh Specific Capacity for Sodium‐Metal Batteries
Lei Ye, Meng Liao, Tiancheng Zhao, Hao Sun, Yang Zhao, Xuemei Sun, Bingjie Wang, Huisheng Peng
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910202
导师介绍
彭慧胜
https://www.x-mol.com/university/faculty/45846
（本稿件来自Wiley）
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