文章背景
钠金属电池（SMBs）因资源丰富、成本低廉被视为下一代大规模储能体系的核心候选。然而，钠金属与电解液界面（SEI）的热力学不稳定性及低温下迟缓的钠离子去溶剂化动力学，导致其难以实现宽温域（-40-60°C）稳定运行。现有商用酯类电解液在高温下易引发界面副反应，低温下则因溶剂化层解离能垒过高导致离子传输受阻。如何通过电极/电解质界面工程同步提升极端温度下的界面稳定性与反应动力学，成为制约宽温域钠金属电池实用化的关键瓶颈。
内容简介
本研究首次提出NaF@Na复合金属钠负极的界面优化策略：通过熔融浸渍法将高表面能的NaF均匀嵌入金属钠基体，构建具有温度自适应特性的梯度化SEI膜。该设计通过三重协同机制突破极端工况限制：（1）高温稳定化：NaF在60°C下形成致密无机界面层，抑制钠金属与酯类电解液的持续副反应；（2）低温传输：分子动力学模拟证实NaF可降低钠离子-溶剂分子簇结合能（-40°C时去溶剂化活化能降低42%）；（3）枝晶抑制：NaF的高表面能引导钠离子均匀沉积，实现无枝晶形貌（沉积过电位降低至12 mV）。
相关研究成果以“Accelerating Interfacial Desolvation Kinetic by NaF-Rich Composite Sodium for High-Performance All-Climate Sodium-Metal Batteries”为题发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science上。重庆大学Deng Tongtong为第一作者。重庆大学徐朝和教授、王荣华教授为通讯作者。
主要内容
图1. （a）Na||NVP全电池和（b）宽温域型NaF@Na||NVP全电池的结构示意图。基于（c）原始Na负极与（d）NaF@Na复合负极的钠沉积/剥离行为及溶剂化过程示意图。
图2. （a）NaF粉末与NaF@Na负极的XRD谱图；（b）不同负极对称电池的奈奎斯特曲线；（c）NaF@Na||NaF@Na对称电池的倍率性能。Na||Na和NaF@Na||NaF@Na对称电池在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²条件下的循环性能：（d）25℃和（e）60℃；（f）图2e中恒电流电压曲线的局部放大图。
图3. （a）原始Na负极、（b）循环10次后的Na负极及（c）循环10次后的NaF@Na负极的俯视SEM图像。Na与NaF@Na负极的（d）循环前F 1s、（e）循环后Na 1s及（f）循环后F 1s的高分辨率XPS谱图。
图4. （a）全电池倍率性能及对应的（b）Na||NVP和（c）NaF@Na||NVP全电池在不同电流密度下的恒电流充放电曲线；（d）50C下全电池循环性能及（e）对应充放电曲线；（f）正极载量8.0 mg cm⁻²的NaF@Na||NVP全电池在5C下的循环性能；（g）正极载量5.2 mg cm⁻²的全电池在10C、60℃下的循环性能。
图5. NaF@Na||NVP全电池在低温下的循环性能：（a）-20℃、0.5C（正极载量4.3 mg cm⁻²）；（b）-40℃、0.2C（正极载量1.2 mg cm²，经历25℃温度突变）。1M NaClO₄/PC+5% FEC电解液中Na⁺的（c）分子动力学模拟快照；（d）Na⁺径向分布函数及（e）配位数计算结果。-40℃下Na[PC]₄[ClO₄⁻]溶剂化结构在（f）原始Na和（g）NaF@Na负极表面的脱溶剂化过程模拟。
图6. （a）本研究与文献在室温及50/100C下的循环次数与倍率性能对比；（b）60℃、10C及（c）-20/40℃、0.5/0.2C条件下，本研究与文献在温度、正极载量、循环次数、比容量/容量保持率及倍率性能方面的综合对比。
图7. （a）软包电池内部结构示意图；（b）NaF@Na||NVP软包电池在平整与180°弯折状态下点亮LED灯的照片。不同正极载量的软包电池循环性能：（c）1.1 mg cm⁻²、1C；（d）10 mg cm⁻²、0.2C；（e）图7d对应的恒电流充放电曲线。
结论
此项工作通过构建NaF@Na复合负极，创新性地解决了钠金属电池在极端温度下的界面失稳与动力学迟滞问题。研究者揭示了无机填料梯度分布对SEI膜热力学稳定性及离子传输动力学的调控机制，为宽温域金属电池界面设计提供普适性理论框架；其次，在未改造电解液体系前提下实现宽温域性能突破，大幅降低产业化技术门槛；最后，验证了-40°C至60°C宽温域软包电池的工程可行性，为极地储能、高寒区电动汽车等场景提供了有前景的技术路径。
参考文献
全文链接：
https://doi.org/10.1039/D4EE05369A
文章来源：高低温特种电池
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