研究团队提出了一种高密度晶界策略来抑制钠枝晶的不可控生长，通过简单的机械轧制方法在钠金属表面原位构筑一层兼具有高离子电导率和电子绝缘性的双功能界面层（BiF3/Na）。当BiF3纳米粉末与金属钠直接接触时，基于法拉第电子得失反应，钠金属表面会自发形成双功能Na3Bi/NaF异质层。在该保护层中，具有高亲钠性的离子导电Na3Bi组分大大避免了Na离子在Na金属表面的不均匀沉积和优先成核，而具有高界面能和机械强度的NaF相的可有效地抑制Na枝晶的不可控生长。最重要的是，Na3Bi/NaF异质相间高密度晶界会诱导内置电场的形成，显著提高Na+扩散速率、减小电池极化，从而保障Na+反复沉积剥离过程中的稳定性。基于此，覆盖有这种先进高密度晶界人工修饰层的钠金属负极在高倍率下展现出了优异的循环稳定性，BiF3/Na电极制备的对称电池在2 mA cm-2/1 mAh cm-2的测试条件下可稳定工作2000小时。此外，制备的BiF3/Na||NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2钠金属软包全电池也表现出优异的电化学性能，其在2 C大电流下经2000次循环后的可逆比容量仍高达68.8 mAh g-1，具有突出的实际应用潜力。
要点一：BiF3/Na人工界面层抑制枝晶生长
图2 BiF3/Na电极的对称电池电化学性能测试。
要点三：BiF3/Na||NFM全电池电化学性能
为了进一步验证制备的钠金属负极的实际应用潜力，本文作者还通过与商业化NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM）正极匹配钠金属软包全电池进行全方位的电化学性能评估。在全电池倍率测试中，由于高密度异质Na3Bi/NaF晶界人工SEI层内优异的离子扩散和电荷转移速率，BiF3/Na||NFM软包全电池在0.1至3.0 C的不同测试倍率下可获得125.8、111.9、96.7、82.6、67.8、48.8、24.8 mAh g-1的可逆比容量，远高于纯Na||NFM软包全电池。同时，原位形成的内建电场可以显著提高Na+扩散速率，对应BiF3/Na||NFM全电池充放电曲线的电压极化大大降低。此外，与未受保护的纯钠金属负极相比，BiF3/Na负极也显示出了极其优异的循环耐久性。BiF3/Na||NFM软包全电池在2 C大电流密度下进行2000次循环后的可逆比容量为68.8 mAh g-1，容量保持率高达71%。
图3 BiF3//NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2软包全电池性能测试
曹亮副教授简介：常熟理工学院副教授，主要从事新型储能器件（锂、钠、钾、锌离子电池）关键电极材料的设计、构筑，反应机理的原位表征及电化学行为研究。在Nature Communication、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际顶尖学术刊物上发表学术论文30余篇，授权国家发明专利7项，主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、南开大学重点实验室开放课题等科研项目。
耿洪波教授简介：常熟理工学院教授，硕士生导师。姑苏创新创业领军人才，江苏省双创博士。目前主要从事纳米材料的可控制备和表界面特性调控及其在新能源等领域的应用基础研究，在Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等期刊发表学术论文100余篇，所发表论文被引6000余次，获省科学技术奖自然科学奖二等奖。担任期刊Frontiers in Materials 副主编，Energy Lab、石油化工高等学校学报等期刊青年编委。主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目、广东省自然科学基金、江苏省高等学校自然科学研究重大项目、南开大学重点实验室开放课题等科研项目。
魏怀鑫副教授简介：苏州科技大学副教授，硕士生导师。主要从事有机光电半导体材料和器件(显示和照明器件、太阳能电池、场效应晶体管)、锂离子电池、量子点发光材料的教学和研究工作。在Adv. Mater., Adv. Optical. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces., Appl. Phys. Lett.等国际知名期刊发表SCI论文80余篇，被引用～2000次，H-index因子28，申请专利10余项，目前担任多个国际权威期刊审稿人，主持和作为主要骨干成员参与国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上项目、青年基金、中国博士后基金、江苏省高校自然科学基金面上项目等10余项，作为主要骨干成员参与香港科学研究资助局、韩国科技部21世纪先进研究项目等科研项目。
文章来源：池中锂
《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》
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