编审：Thor，Dysonian

01导读

年寰球电动车销量快要万辆,现阶段的动力电池首要为锂基电池。但其对锂资本的依赖致使锂价继续爬升，，钠基电池成本低、平安性强、充电工夫快、凹凸温功能好，被视为锂基电池的互补动力。宁德期间定下钠离子电池在年财产化，能量密度能够到达Wh/kg的方针（能够取代磷酸铁锂/石墨电池），但是，钠基电池的能量密度依然低于锂基电池，采纳的高容量钠金属负极存在着超薄的钠金属负极加工繁杂，空气平稳性差等缺陷。无负极钠电池（AFNBs）可为上述题目供应束缚计划。AFNBs中钠齐全来自正极材料，没有钠的糜费，抬高了钠基电池的能量密度，并且全面流程没有泄漏在空气中。不过，一样要思考AFNBs中钠的继续耗费以及钠的不平匀堆积带来的死钠和库伦效率（CE）低的困难。

02效果靠山

指日，中科院物理探索所胡勇胜探索员、陆雅翔副探索员团队运用含硼电解液BPG电解质（0.9?M?NaPF6和0.1?M?NaBF4溶在二甘醇二甲醚中）、GC（石墨化碳涂覆的铝集流体）集流体和高比能O3相层状氧化物正极，经过界面工程战略建立了具备量密度具备Whkg的AFNBs。个中，获利于电解液、集流体和电极材料之间的协同界面效应，实行了电极/电解液平稳的界面相，从而到达可逆的钠平匀堆积。该钠电池实行了在不施加额外压力和高温的境况下次平稳轮回寿命。这项办事为高功能钠电池供应了对应的原形束缚计划，为进一步开辟具备更高功能的钠电池摊平了道路。文章以题为“Interfacialengineeringtoachieveanenergydensityofover?Wh?kg-1insodiumbatteries”颁发在NatureEnergy上。

03关键革新

（1）经过界面工程战略，采纳BPG电解质、GC集流体和层状氧化物正极制备了具备协同界面的高比能钠电池。

（2）基于GC上小且平匀的钠形核实行了平匀且精细的钠堆积，BPG中，B-O物资的溶剂化构型使得SEI外层呈片状二维散布，CEI内层呈三维散布。这有用地统制了“死钠”或钠枝晶的构成，并避让其与电解液产生副反响。。

（3）建设的协同界面，无需额外的压力或高温，AFNB的轮回寿命可达次以上，能量密度高出?Wh?kg?1。

04中枢数据解读

1.具备协同界面的钠电池的示妄念

图1.运用石墨碳涂层做为集流体，BPG做为电解液的具备协同界面的钠电池。

Nature

重点：

1、AFNBs采纳有序碳涂层的集流体（GC），正极采纳不含钴的O3相层状氧化物Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3]O2，电解液采纳由0.9MNaPF6和0.1MNaBF4构成的醚类电解液（BPG）。

2.不同集流体对钠堆积行动的影响

图2.Na堆积和剥离的集流体和描述。a，b，非晶态涂炭铝箔（AC）(a)和石墨化碳涂层铝箔(b)的扫描电子显微镜图象。c，d，AC(c)和GC(d)的透射电子显微镜图象。e，f，在NaPF6乙二醇二甲醚的（PG）电解液中AC(e)和GC(f)在10个轮回后在AFNBs中Na堆积的扫描电子显微镜图象。g，h，在PG电解液中AC(g)和GC(h)在10个轮回后在AFNBs中剥离Na的SEM图象。

Nature

重点：

1、堆积尝试声明，NaPF6基醚类电解中（PG），在AC集流体上看来不准则和破碎的钠团块，而在GC集流体上构成相对平匀和小的钠块。

2、剥离实验进一步声明，PG电解液AC集流体具备较厚的涂层，声明存在大批SEI或死Na层。相悖，GC具备明晰的杆状组织，声明SEI较薄，死钠构成少。声明GC的优良的成核性、多孔结媾和优良的电子传输，能够实行更好的钠堆积/剥离行动。

3.电解质和SEI/CEI的优化取舍

图3.电解液和SEI/CEI膜的取舍和评价。a，采纳用GC和BPG视察十次轮回后Na在AFNBs中堆积的扫描电子显微镜图象。b，NaPF6、NaBF4和二甘醇的分子轨道能。c，钠在BPG中SEI膜的TOF-SIMS三维图；两个三维图离别是B+和P-二次离子。d，BPG中Na在10个轮回后的cryo-STEM图。e，SEI膜在GC上的钠剥离(十个轮回)的高分辩率的电子显微镜图象。f，TOF-SIMS显示了10个轮回后BPG中正极CEI膜的三维图象。显示了B+和P-二次离子的不同散布。g，10次轮回后，BPG中正极CEI膜的高分辩率透射电子显微镜图象。h，在PG和BPG(10个轮回)中，Fe2p和Ni2pXPS光谱展示过渡金属(Fe和Ni)堆积在轮回Na阳极上的量。

Nature

重点：

1、采纳BPG电解液后，运用GC的钠堆积显现出特别腻滑且精细的无裂纹描述。

2、分子轨情理论推算声明，NaPF6在负极侧先于NaBF4分解，而NaBF4在正极侧先于NaPF6分解。

3、ToF-SIMS剖析声明，负极侧钝化产品的SEI中，含B物资在SEI中沿z轴呈二维散布，而含P物资在BPG中呈三维散布。BPG中SEI厚度为薄薄的10nm。高分辩cryo-STEM图象显示具备少数NaF，Na2CO3纳米晶体的非晶态SEI组织。

4、正极侧CEI，ToF-SIMS效果显示个中含B物资在CEI内层沿z轴呈三维散布，CEI外层有很少的含P物资。高分辩率TEM图象显示了厚度约为3nm的平匀非晶态CEI膜。

5、SEI的XPS剖析显示，引入NaBF4后，正极中镍和铁的消融遭到显著统制。CEI层能够有用守护正极材料的组织完好性，并避让与电解液产生副反响。

4.协同界面机理

图4.用AC+PG(a)和GC+BPG(c)原位光学显微镜视察AFNBs中的镀钠景象。运用AC+PG(b)和GC+BPG(d)20个轮回后，钮扣AFNBs中Na堆积的SEM图象。e，f，运用AC+PG(e)和GC+BPG(f)的AFNBs的第一次轮回流程的原位X射线衍射图。从AFNBs的Na负极上滴定H2O后，用H2为滴定气体的色谱图。在齐全充电态(h)和齐全放电态(i)下，AFNBs的非原位电化学阻抗谱弧线。

Nature

重点：

1、运用AC和PG的AFNB，块状钠首先堆积在某个特定地方并沿三维方位火速延伸。构成庞大的体积膨胀并致使SEI的不平匀性并断裂，骚扰了Na表面部分电流密度的散布从而构成了钠枝晶。而含有GC和BPG的AFNB中，钠经过二维堆积慢慢分散到GC表面，构成平整且精细的Na层。

2、原位XRD测试声明，运用AC和PG的钠离子电池中有残留的Na记号，但运用GC和BPG的钠离子电池中Na（）峰齐全消散，注明白高度可逆的Na堆积和剥离。

3、气相色谱法实行H2O滴定声明，运用GC和BPG系统中H2逸出量显然较少，声明在轮回流程中构成的“死钠”很少。

4、电化学阻抗谱（EIS）效果声明，由GC和BPG构成的协同界面能够有用统制“死钠”的构成，推进钠离子的传导，有益于平匀的钠堆积。

5.钠离子电池功能比较

图5.不同品种钠基电池的比较。a，在0.5C(1C=mAhg?1)的电流密度下，不同典型的钠基电池在0V到4V之间的恒流初始放电/充电弧线。b，在0.5C的电流倍率下，AFNBs在2V~4V之间的轮回功能。c，在不同停止电压的GC+BPG的AFNBs的恒电放逐电/充电弧线。d，在0.5C的电流速度下，运用GC和BPG的AFNB的在2V到3.8V之间轮回功能。

Nature

重点：

1、AFNB（AC

Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3]O2和GC

Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3]O2）全电池初始充电流程中，成核优先产生，具备中尖峰的特色。成核过电位按GC+BPG基AFNB、AC+PG基AFNB、NMB（Na

Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3）的依序补充，声明电解液和集流体的改性有益于成核。放电容量按NIB（mAhg-1）、AC+PG基AFNB（mAhg?1）、GC+BPG基AFNB（mAhg?1）、NMB（mAhg?1)的依序补充。

2、GC+BPG基AFNB（约92%）的首效安宁均放电电压高于AC+PG基AFNB（约88%）和NIB（约83%）。其余，无额外钠源的AFNB可放电至0V，便于平安输送和大范围电池治理。

3、次轮回后，GC+BPG基AFNB的容量维持率为82%，而次轮回后AC+PG基AFNB的容量维持率仅为61%，且库伦效率不平稳。进一步经过取舍3.8V的上限停止电压，AFNBs的轮回寿命可进一步拉长到次以上，容量维持率为84%。

6.钠离子电池电化学功能

图6.协同界面钠电池的电化学功能安宁安评价。a，在0.5C的电流密度下，运用不同停止电压的GC和BPG对AFNBs软包电池的轮回才能。b，堆积的Na的DSC弧线，c，运用GC和BPG的AFNB软包电池在屈曲变形和进一步针刺实验候，满盈电的状况的灯胆仍然照亮。d，在0.5A的电流速度下，运用不同停止电压的GC+BPG，圆柱形电池的第三次恒放逐电/充电弧线。e，在0.5A的电流速度下，运用GC和BPG的AFNB(圆柱形电池)的轮回功能。

Nature

重点：

1、基于GC和BPG组装了30mAh单层软包电池，它们的轮回平稳性宛如于扣式电池，声明补充堆积的Na量不会消沉AFNB的功能。

2、差示扫描量热仪（DSC）声明AFNB中堆积的Na金属仅在GC+BPG基AFNB具备较高初始吸热温度（.3°C）的境况下显示吸热峰，声明由协同界面向导的堆积Na的腻滑描述可巩固AFNB的热平稳性。

基于GC和BPG（贫液态）的Ah级圆柱电池，电压在2–3.8V界限内能量密度可到达Whkg-1，在2–4V下能量密度可达Whg-1，其与磷酸铁锂/石墨锂离子电池的能量密度相当。其余，圆柱电池具备平稳的长周期轮回次轮回后，容量维持率80%。

05效果启发

1、BPG电解质、GC集流体和层状氧化物正极的协同界面工程的AFNB，实行了高比能钠电池。

2、AFNB中的协同界面有用地统制了死Na或Na枝晶的构成，修理了Na堆积和剥离流程中构成的裂纹，守护了正极的组织完好性并避让了与电解质的副反响。

3、运用无Co、V层状氧化物正极、贫非浓缩电解质、薄涂层集流体以及枯燥室临盆，并且无需额外的压力或高温，这是具备成本效力的，为开辟具备更高功能的钠电池摊平了道路。

06参考文件

YuqiLi,QuanZhou,SutingWeng,FeixiangDing,XingguoQi,JiazeLu,YuLi1,XiaoZhang,XiaohuiRong,YaxiangLu,XuefengWang,RuijuanXiao,HongLi,XuejieHuang,LiquanChenandYong-ShengHu.Interfacialengineeringtoachieveanenergydensityofover?Wh?kg?1insodiumbatteries.NatureEnergy().

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