福建师范洪振生，浙江大学陆俊，安庆师范张燕， AEM：单原子锑的非凡合金化反应实现高度可逆的钠金属电池！

第一作者：赵思、陈旭东

通讯作者：洪振生*，张燕*，陆俊*

单位：福建师范大学，安庆师范大学，浙江大学

钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池时代之后的一个有前景的替代品，因其成本效益和钠资源的丰富性而出现。然而，SIBs的实际部署面临着由于其相对较低能量密度所带来的挑战。金属钠以其低至-2.71V的工作电位和高达1166mAh g^-1的比容量，显著超过了当前商业硬碳阳极（例如，300mAh g^-1）的容量。此外，钠金属电池（SMBs）在各种新兴电池系统中显示出有前途的应用，包括Na-S/Se/Te、Na-O₂、NaCO₂和Na-Br/I₂电池。然而，在重复的沉积/剥离循环中，金属钠的电沉积常常导致形态和化学不稳定，例如钠枝晶的形成、容量衰减、短路甚至爆炸，给金属钠阳极的实际应用带来了技术障碍。通过引入亲钠金属添加剂来控制异质成核，被认为是调节Na金属生长和减轻枝晶引发灾难性问题最有效的策略之一。虽然这些亲钠金属或复合材料通过合金化反应提供了钠沉积的活性位点，但它们在电沉积之前通过吸附、不可逆合金化或转化反应等反应消耗了钠。此外，合金化-去合金化过程不可避免地产生大量体积膨胀。不幸的是，这些缺点没有得到足够的关注和解决。一种吸引人的方法是将金属材料缩小到原子尺度，即单原子材料（SAMs），促进了均匀成核位点和钠离子通量及局部电荷密度的有效分散，从而实现了电场的均匀分布。正如在电催化剂中所展示的，SAMs以其丰富的活性位点表现出卓越的电化学活性和稳定性。

与传统金属纳米颗粒相比，SAMs通过独特的配位构型和电子结构，实现了精确的原子级设计，并提供了丰富的活性位点，降低了反应能垒。这种特殊结构使单原子材料能够通过位点特异性化学反应捕获金属离子，从而均匀调节金属阳极中的后续沉积过程。此外，这种材料在循环过程中对合金型电极材料的体积波动和电极结构疲劳具有很大的缓解潜力。然而，SAMs在SMBs或其他电池的应用中仍面临两个挑战。一个是在最先进的通用方法中，SAMs的简便合成具有高载量和良好分散性。另一个问题是，与体相或纳米级材料相比，它们的电化学机制仍然不清楚。例如，原子尺度上的合金化反应以及SAMs中金属沉积的调节机制仍然不清楚。在传统的仅热热场加热方式中，原子扩散过程相对缓慢，可能难以实现金属原子与配位原子的快速结合。

近日，福建师范大学洪振生，浙江大学陆俊和安庆师范大学张燕团队报道了一种包括电场、热场和压力场的多场调控合成 (MRS) 路线，可在几分钟内快速制备单原子锑。这种多物理场耦合合成方法可以实现高负载的单原子锑 (MRS-SbSA)，高达 15 wt.%。与具有低 SAMs 含量的传统烧结方法相比，具有良好分散的 Sb 原子的 MRS-SbSA 为钠金属负极提供了丰富的成核位点，这有利于控制钠离子通量和锚定钠金属的生长。同时，原子合金化-脱合金化过程减轻了体积膨胀，显著降低了机械应力，大大提高了电化学可逆性。因此，MRS-SbSA||Na半电池即使在1800次循环后仍表现出非常高的库仑效率（CE）≈99.9%。MRS-SbSA-Na对称电池表现出超低过电位和令人印象深刻的长循环寿命。此外，无阳极MRS-SbSA||NVP电池表现出极高的能量密度和出色的倍率性能。我们的研究结果为合成高负载金属单原子及其不寻常的行为和在可充电电池中的应用提供了深刻的见解。

研究团队利用多场调控合成（MRS）技术，通过电场、热场和压力场的耦合作用，成功快速制备了高载量（15 wt.%）的单原子锑（Sb），实现了其高分散性。

相比于常规锑纳米颗粒，单原子Sb因原子级分散，在电化学反应动力学和结构稳定性方面显著提升。其结构在充放电过程中应力与体积膨胀变化极小，有利于电池稳定性。

涂覆约3微米厚的铜箔在对称电池中展示了高达99.99%的库仑效率、超低过电位（3mV）和超过2500小时的长循环寿命。

构建的无阳极MRS-SbSA||Na₃V₂(PO₄)₃电池实现了约362Wh/kg的高能量密度，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。

Highly Reversible Sodium Metal Batteries Enabled by Extraordinary Alloying Reaction of Single-Atom Antimony

洪振生教授简介： 福建师范大学物理与能源学院教授，材料化学博士，博士生/硕士生导师，荣获福建省杰出青年基金，德国洪堡资深学者(Experienced Researcher，2019年8月至2020年10月), 福建省高层次人才等。长期从事储能材料设计、制备和器件构造的一体化研究，在多场耦合储能材料结构及界面电化学调控研究上取得了一系列创新研究成果，主持包括3项国家基金在内的10余个项目，累计发表SCI论文90余篇(第一/通讯作者论文56篇)，第一/通讯作者论文包括国际顶级期刊美国科院院院刊PNAS(2篇)、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater. Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci. (2篇)、Nano Energy (3篇)、Adv. Sci.和Small等。此外，开发出一系列具有自主知识产权的钠电池负极材料，以第一发明人授权国家发明专利20余项，已转让2项。

张燕副教授简介：安庆师范大学，化学化工学院，副教授。主持国家自然科学基金项目1项，省自然科学基金项目1项，目前以第一/通讯作者在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Energy Storage Mater., Small, Small Methods等国际著名期刊上发表SCI论文20篇，其中2篇论文入选为ESI高被引论文，获授权国家发明专利2项，获海南省自然科学二等奖。

陆俊教授简介：陆俊，国家高层次海外人才，浙江大学求是讲席教授、衢州动力电池与储能研究院院长。2000年本科毕业于中国科技大学，2008年博士毕业于犹他大学，2009年起在美国阿贡国家实验室从事博士后、助理化学研究员、化学研究员。目前，以通讯作者/第一作者发表SCI收录论文500余篇，包括Science、Nature及其子刊60余篇，论文总引用数超过72000次，H指数144；2018−2023年连续入选科全球高被引科学家，授权国际专利30余项。获电化学能源存储与转换领域内20多项重要奖励，包括美国国家能源部（汽车技术项目能源效率和可再生能源办公室（EERE）颁发的博士后研究奖学金（2013），是迄今为止电池领域内唯一获奖者，2019年全球百大科技研发奖（2019, R&D 100 Award美国科技界的“奥斯卡”创新奖）、美国电化学会电池分会技术奖（Battery Division Technology Award, ECS, 2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）。同时担任多种重要学术兼职，如Battery energy主编, ACS Applied Materials & Interfaces 副主编等。

陈旭东：福建师范大学物理与能源学院2022级硕士生。