摘要：钠离子电池（SIBs）因其原材料储量丰富、成本低廉和分布广泛等优势，被认为是下一代可持续储能体系的重要候选技术。但是，受限于硬碳负极的高成本和钠离子本征特性（较大的原子尺寸和质量）导致的较低能量密度（通常

钠离子电池（SIBs）因其原材料储量丰富、成本低廉和分布广泛等优势，被认为是下一代可持续储能体系的重要候选技术。但是，受限于硬碳负极的高成本和钠离子本征特性（较大的原子尺寸和质量）导致的较低能量密度（通常

成果简介

基于此，复旦大学王飞教授等人通过在铝集流体上构建硬碳衍生界面相，成功开发出兼具高能量密度、低成本和优异循环稳定性的贫负极钠电池（ALSB）。该界面相凭借低介电常数特性与强钠相互作用，可实现均匀钠成核、无裂纹沉积及高效剥离，从而显著降低循环过程中的活性钠损耗。该研究以“Current collector interphase design for high-energy and stable anode-less sodium batteries”为题，发表在《Nature Sustainability》期刊上。

作者简介

王飞，复旦大学材料科学系教授。主要研究方向为高比能高安全新型电池的电解质开发及机理研究，包括高电压水系电池及相关电解液体系、锌基可充二次电池及相关电解液、高安全性有机锂\钠离子电池电解液，固态电解质等。

研究亮点

1、低介电常数界面层设计（Al~HC）：首次提出通过低介电常数（ε=1.84）硬碳界面层调控电荷分布，突破传统集流体的电场局限性。均匀化钠离子沉积路径，抑制枝晶生长，实现99.94%的超高剥离效率（传统铝集流体仅93.38%）。

2、钠沉积/剥离行为的双重优化：通过“强钠-基底吸附”与“弱钠-钠相互作用”的协同机制，解决无阳极电池中钠不可逆损耗的难题。循环900次后容量保持率90%，且6.0 mA/cm2高倍率下仍保持99.77% CE，兼顾长寿命与快充能力。

3、无阳极全电池能量密度突破：首次实现无阳极钠软包电池的规模化制备（2.28 Ah），能量密度达203 Wh/kg（传统钠电池

图文导读

图1 集流体修饰剂对钠初始成核/沉积的影响

图1展示了不同集流体修饰剂对钠沉积行为的影响，突出了低介电常数材料（如Al~HC）在改善钠沉积均匀性和提高电池效率方面的潜力。这一发现为设计高效的钠电池界面材料提供了重要的理论依据。图1a和图1d展示了基于有限元模型的计算结果，模拟了在钠电池初期钠沉积和剥离阶段，集流体（CC）与电解液界面的电荷分布情况。模型计算考虑了不同介电常数（εc）的集流体材料。

结果显示，较低介电常数的集流体（如Al~HC）在钠沉积时能够减少电荷聚集，促进均匀的钠成核和沉积，而高介电常数的材料（如传统的铝）则容易导致电荷聚集，进而形成不均匀的沉积。图1c和图1f通过示意图展示了不同介电常数集流体的钠沉积和剥离过程。低介电常数的集流体（如Al~HC）促进了均匀的钠沉积和高效的剥离，而高介电常数的材料则可能导致钠金属的不均匀沉积和更高的不可逆损失。

图2 不同界面上的钠沉积/剥离库伦效率及形貌表征

图2展示了不同集流体界面（CC）在钠电镀/剥离过程中的库仑效率（CE）和钠沉积形貌。低电流密度下（如1.0 mA cm-2），钠电镀的CE较高，且在较长的电镀时间后，钠沉积更加均匀，减少了副反应。较高电流密度下（如2.0 mA cm-2），由于钠沉积的不均匀性，钠沉积出现裂纹，导致更大的接触面积与电解液接触，从而增加了CE损失。与Al~HC相比，其他基底如石墨和活性炭表现出较高的CE损失，这与其表面结构和亲钠性相关。研究表明，低电流密度和具有优良结构的集流体（如Al~HC）能够有效促进均匀的钠电镀，减少副反应和钠损失，从而提高电池的库仑效率（CE）和循环稳定性。

图3 ALSBs中集流体界面的关键评价标准

图3展示了集流体界面设计对钠电池性能的影响，重点分析了不同集流体界面（特别是低介电常数的硬碳涂层）如何改善钠电镀行为。低介电常数界面（如硬碳涂层）有助于钠的均匀成核和电镀，避免了钠簇和枝晶的形成。

与此相反，高介电常数界面容易导致钠簇的形成，电镀不均匀，从而影响电池性能。强的基底-钠相互作用促进了更均匀的钠沉积。硬碳涂层通过与钠的强亲和力，帮助钠在集流体表面均匀沉积，而其他材料（如石墨、活性炭）则表现较差，容易导致不均匀电镀。弱的钠-钠相互作用有助于避免枝晶生长，促进均匀的钠沉积。强的钠-钠相互作用会导致钠簇的形成，不利于电池的稳定性。硬碳涂层作为最佳的集流体界面设计，能够通过低介电常数、强基底-钠相互作用和弱钠-钠相互作用三方面共同作用，显著提高无阳极钠电池的性能。

图4 Al~HC||Na半电池的电化学性能

图4展示了Al~HC||Na半电池的电化学性能，主要研究了钠沉积/剥离过程中的库仑效率（CE）以及不同材料对Na沉积行为的影响。随着硬碳质量负载的减少，CE略有提高，表明减少硬碳涂层的质量负载有助于提升电池的能量密度。将Al~HC的平均CE与其他相关文献中的结果进行了对比，显示出其在相同条件下表现出优异的性能，进一步验证了硬碳涂层在提升库仑效率方面的优势。Al~HC材料在钠沉积过程中表现出低的成核过电位和稳定的电压特性，说明其能够有效地减少枝晶生长和电池内的副反应。Al~HC材料在多次循环中能够保持较高的库仑效率，显著提高了电池的能量利用率和循环稳定性。Al~HC在不同的电流密度和质量负载下依然能够保持优异的性能，证明了其在实际应用中的广泛适用性。

图5 ALSB全电池的电化学性能

图5展示了无阳极钠电池（ALSB）全电池的电化学性能。NVP||Al~HC电池在20 mA g-1的电流密度下显示出优异的循环稳定性和高库仑效率，尤其在长时间循环后仍保持高效能量输出。图5c展示了不同负极/正极质量比对电池能量密度和单位能量成本的影响，揭示了优化负极和正极材料比可以提升电池的能量密度，但也会增加成本，提供了性能与成本的权衡参考。NVP||Al~HC单层无阳极软包电池在多次循环后的稳定性能，表明硬碳涂层的设计能够有效提高电池的长周期稳定性。通过与其他研究的比较，NFPP||Al~HC无阳极电池在能量密度（203 Wh/kg）方面表现优异，显示出该设计的优势。

总结展望

本研究提出了一种集流体界面（CC interphase）工程策略，揭示了钠沉积行为受界面特性的调控机制。具体表现为：低介电常数（ε）界面能促进钠的均匀形核，而铝基底则无法实现钠的均匀沉积。强基底-钠相互作用与弱钠-钠相互作用的协同效应，可实现钠的均匀沉积和高效率剥离。

该策略能有效抑制"死钠"或枝晶的形成，减少副反应并降低钠损耗。优化后的铝基硬碳界面（Al~HC）表现出优异的循环稳定性，在1750次循环中保持99.94%的平均库伦效率。基于Al~HC组装的NVP||Al~HC软包电池可实现900次以上的长循环寿命，2.3安时级铝硫电池（ALSBs）更展现出203 Wh/kg的高能量密度。该研究为开发具有更高能量密度、更长循环寿命和更低成本的可持续电池体系提供了新思路。

文献信息

Current collector interphase design for high-energy and stable anode-less sodium batteries. Nature Sustainability.

来源：MS杨站长