【研究背景】
在可持续能源储存技术的探索中，钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉而被认为是锂离子电池的有力替代者。然而，现有钠离子电池普遍面临能量密度低和硬碳负极成本高的问题，导致其单位能量成本仍高于锂离子电池，限制了其大规模应用前景。无负极钠电池被认为是一种提升能量密度、降低成本的理想方案，但其长期稳定性受限于钠在循环过程中不均匀的成核与沉积行为，易导致枝晶生长、“死钠”堆积以及钠的不可逆损耗。尽管已有研究尝试通过电解液优化和界面调控来缓解上述问题，但多数策略并未从成核源头出发系统性地调控钠沉积行为，更缺乏对集流体与电解液界面之间相互作用机制的深入理解。因此，开发一种能在原位调控钠成核与剥离行为的界面工程策略，是实现高能量密度、长寿命、低成本无负极钠电池的关键所在。
【工作简介】
近日，复旦大学王飞教授等提出了一种集流体界面工程策略，通过构建低介电常数、强钠亲和性以及弱钠–钠相互作用的界面层，有效调控钠的成核、沉积与剥离行为，成功构建出了少副反应、高能量密度和长寿命的少负极钠电池。研究中，作者系统评估了不同界面层材料的物理化学性质对钠沉积行为的影响，发现界面特性主导了钠生长模式，并量化分析了不可逆钠损耗机制。基于最优设计的硬碳基界面层，构建的Ah级软包电池实现了203 Wh/kg的高能量密度和长循环寿命，展示出极高的工程化应用潜力。该研究明确提出“钠的生长受控于界面本质”的核心观点，为发展高性能无负极钠电池提供了新的设计思路与理论依据。该文章发表在国际顶级期刊Nature Sustainability上。Jiafeng Ruan和Jiaming Hu为本文第一作者。
【内容表述】
图1通过实验与模拟系统揭示了集流体界面性质对钠形核、沉积和剥离行为的关键影响。研究发现，高介电常数界面（如纯Al）导致钠形核和沉积不均匀，形成“岛状”结构并伴随钠簇脱落，造成较差的CE；而低介电常数修饰层则有助于均匀成核与致密沉积，并实现高效可逆剥离。理论模拟进一步表明，低介电常数界面可优化界面电荷分布，稳定Na–Na与基底–Na相互作用，从而促进Na+的均匀剥离。通过在12种材料上进行验证，确认了该策略的通用性。图1强调了界面的介电特性在调控钠成核、沉积与剥离中的作用，为设计高性能无负极钠电池提供了重要理论依据与材料选择标准。
图1 集流体修饰剂对钠初始成核/沉积的影响
图2揭示了不同低介电常数修饰层对钠沉积稳定性和副反应抑制的关键作用。尽管多种修饰层均实现了均匀沉积，但所展示的平均CE差别较大。其中，钠在HC界相层上展现出最高的平均CE（99.78%）和最低的副反应损失（1.21%）。通过引入静置对比法，量化了副反应导致的容量损失，指出电流密度与修饰层结构对Na形貌及副反应程度具有协同调控作用。相比其他碳基材料，HC修饰层诱导钠致密沉积，有效降低了沉积钠与电解液的接触面积，减少了副反应。
图2 不同界面上的钠沉积/剥离库仑效率及形貌表征
图3分析了影响钠形核、沉积行为和CE的关键因素。传统观点认为基底−Na相互作用（如晶体兼容性、Na亲和力和Na吸附能）对Na沉积形貌和CE至关重要。然而，随着Na层的增加，Na−Na相互作用同样会影响钠后续的沉积行为。通过分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）模拟，研究发现较弱的Na−Na相互作用有助于后续的均匀钠沉积。此外，基底−Na相互作用较强时，能促进初期的均匀Na核化，而Na−Na相互作用较弱时，有助于后续的Na均匀沉积，减少因副反应引起的CE损失。结果表明，低介电常数结合强基底-Na和弱Na-Na相互作用的修饰层能够有效避免钠聚集和不均匀沉积，最终实现稳定的Na沉积行为和高CE。这些结论为选择合适的电流收集器界面材料提供了指导，硬碳修饰层表现出理想的性能，适合用作高能、长循环少负极钠电池的负极集流体。
图3 集流体界面对钠形核、沉积和剥离以及最终性能的关键评价标准
图4评估了Al~HC在电化学性能中的表现。HC修饰层展现出良好的湿润性，并具有较低的钠沉积过电位（10.6 mV），有助于均匀钠沉积。与其他基材相比，Al~HC在高电流密度下仍保持较低的过电位，且具有最高的循环稳定性，200个循环后CE为99.89%。通过不同的测试条件，Al~HC的CE仍能稳定维持高平均CE，例如在1.0 mA/cm2和1.0 mAh cm2条件下，优于现有研究。此外，Al~HC表面形成的SEI层稳定，确保了低极化和良好的电池循环稳定性，证明了其在少负极钠电池中的应用潜力。
图4 Al~HC||Na半电池的电化学性能
图5展示了采用Al~HC作为集流体的少阳极钠电池在能量密度与循环稳定性方面的显著优势。得益于HC层对均匀钠沉积和可逆剥离，少阳极钠电池与商业正极材料（NVP）组装后实现了高达90.5%的容量保持率和稳定的过电位，显著优于未修饰的纯Al集流体体系。此外，Al~HC与多种正极材料兼容，展现出良好的电化学性能。在软包电池中，NVP||Al~HC在900个循环后仍保持高的容量留存率，尤其是后700圈，其容量留存率高达90%。进一步制备了2.28Ah级NFPP||AlHC无负极软包钠电池，展现出203 Wh/kg的高能量密度和311.4 Wh/L的体积能量密度，超越已有文献报道，且在180次循环后仍维持95.2%的容量，表现出极低的自放电率，证明了其在高能、低成本钠电池中的实用潜力。
图5 无负极钠全电池的电化学性能
来源：能源学人
【文献详情】
Jiafeng Ruan, Jiaming Hu, Qin Li, Sainan Luo, Jinyu Yang, Yang Liu, Yun Song, Shiyou Zheng, Dalin Sun, Fang Fang & Fei Wang. Current collector interphase design for high-energy and stable anode-less sodium batteries. Nat. Sustain. 2025. https://doi.org/10.1038/s41893-025-01545-5
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