當前，市場對高能量密度和高安全性的先進儲能系統(tǒng)的需求日益迫切。盡管鋰離子電池（LIBs）已被廣泛接受，但其在電動車、智能電網(wǎng)和大規(guī)模儲能站的應用受到了鋰資源有限及地理分布不均的限制。作為LIBs的有前景替代品，鈉離子電池（SIBs）由于鈉資源豐富且成本低，并具有與鋰類似的電化學性質(zhì)而受到越來越多的關注。

然而目前實際應用中的鈉離子電池負極材料，如硬碳，仍存在比能量密度低和Na+傳輸動力學不足的問題。金屬鈉具有高的理論比容量（1166 mAh g?1）和低的氧化還原電位（相對于標準氫電極為-2.71 V），被認為是理想的鈉金屬電池（SMBs）負極材料。但是，由于固體電解質(zhì)界面（SEI）層反復破裂和再生導致電解液持續(xù)消耗，以及循環(huán)過程中鈉沉積不均勻引發(fā)枝晶生長、短路甚至安全隱患等問題，嚴重阻礙了鈉金屬電池的商業(yè)化進程。

針對上述問題，廈門大學的研究團隊利用澤攸科技原位TEM進行了深入研究，他們成功合成了一種中空介孔碳納米片負載小于10 nm的SnO2納米顆粒（SnO2@HMCNS）作為鈉金屬負極宿主材料，解決了鈉枝晶生長和離子傳輸緩慢的問題。相關成果以“Synergistic Effect of Mesoporous Carbon-Based Framework with Sodiophilic Nanoparticles for Stable Sodium Metal Anodes”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502032

這篇論文主要研究了一種結(jié)合介孔碳基框架與親鈉納米顆粒的協(xié)同效應，用于穩(wěn)定鈉金屬負極的設計與性能優(yōu)化。研究團隊通過化學修飾和結(jié)構(gòu)設計，成功合成了負載小于10 nm SnO2納米顆粒的中空介孔碳納米片（SnO2@HMCNS）作為鈉金屬負極宿主材料。這種設計不僅解決了鈉枝晶生長的問題，還顯著提升了離子傳輸效率。SnO2納米顆粒作為親鈉位點引導均勻的鈉沉積，而開放的介孔通道則促進了離子傳輸并有效穩(wěn)定了親鈉種子，從而降低了成核過電位，并實現(xiàn)了長期無枝晶的鈉沉積。

圖 SnO?@HMCNS合成過程的示意圖

圖 (a,b) SnO?@HMCNS的SEM圖像；(c) TEM圖像。(d,e) 開放介孔通道的TEM圖像，其中e圖的插圖為介孔通道內(nèi)SnO?納米顆粒的高分辨TEM圖像。(f) 碳片表面納米顆粒的TEM圖像，插圖為顆粒尺寸分布。(g) 碳片表面SnO?納米顆粒的高分辨TEM圖像；(h) SAED；(i) XRD圖譜；(j) XPS全譜；(k) N?吸附/脫附等溫線；(l) 孔徑分布圖

在實驗過程中，研究團隊通過對SnO2@HMCNS材料的形貌、晶體結(jié)構(gòu)及化學組成進行了全面表征，驗證了其優(yōu)異的性能。SnO2納米顆粒分布在碳納米片表面并嵌入介孔通道內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)不僅能防止SnO2顆粒聚集，還能限制其在充放電過程中的體積變化，從而延長循環(huán)壽命。此外，介孔通道顯著增加了材料的比表面積，為Na+提供了更快的表面擴散路徑。當介孔通道被鈉金屬填滿時，新形成的Na/C界面進一步加速了界面擴散，從而提高了傳輸動力學性能。

圖 (a–c) 在不同沉積容量(1–8 mAh cm?2)下，SnO?@HMCNS、HMCNS和SnO?@CS電極表面形貌的SEM圖像

電化學測試結(jié)果表明，SnO2@HMCNS電極在高面積容量下表現(xiàn)出的循環(huán)穩(wěn)定性，在4 mA cm?2電流密度下的2 mAh cm?2容量循環(huán)約1800小時，平均庫侖效率高達99.8%。對比實驗顯示，僅依賴碳基質(zhì)或SnO2納米顆粒的材料無法實現(xiàn)類似的長期穩(wěn)定性。這突出了介孔碳框架與親鈉種子之間的協(xié)同作用，既提供了Na+傳輸通道，又為親鈉種子提供了穩(wěn)定的錨定位點。

圖 (a1, a2) SnO?@HMCNS電極在原始狀態(tài)和經(jīng)過20次循環(huán)后顆粒的高分辨TEM圖像。(b1, b2) SnO?@CS電極在原始狀態(tài)和經(jīng)過20次循環(huán)后顆粒的高分辨TEM圖像。(c1–c4) 時間分辨原位TEM圖像，顯示SnO?@HMCNS的鈉化過程；(d1–d3) 時間分辨高分辨TEM圖像，顯示SnO?@CS上顆粒的融合過程

最后研究團隊將SnO2@HMCNS應用于全電池測試，與Na3V2(PO4)3（NVP）正極組裝成無負極鈉金屬電池，進一步驗證了其實際應用潛力。在0.1 A g?1電流密度下，經(jīng)過200次循環(huán)后，電池仍能保持約80%的容量，且?guī)靵鲂矢哌_98.1%。這種優(yōu)異的性能歸因于SnO2@HMCNS的獨特設計，不僅解決了鈉枝晶問題，還顯著提升了鈉金屬負極的長期循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這項研究為開發(fā)高性能鈉金屬電池提供了一種可行的策略，同時揭示了親鈉種子與多孔骨架之間相互作用的重要性。