中南大學-李維杰教授最新AFM綜述︱無負極鈉金屬電池的研究進展:起源、挑戰、策略與展望

一、 【全文速覽】

無負極鈉金屬電池（AFSMBs）作為一種新型電池結構，由于其具有理論能量密度高、安全性高、節省成本和制造工藝簡單等優點，在大規模儲能系統和便攜式電子設備領域顯示出巨大潛力。然而，由于庫倫效率低、金屬枝晶生長和固態電解質（SEI）不穩定等原因，無負極鈉金屬電池的循環壽命較短，這阻礙了其實際應用。

近日，中南大學李維杰教授課題組對無負極鈉金屬電池進行全面而翔實的分析，內容包括其背景、起源、機理、優勢、挑戰、延長循環壽命的各種策略和前景（圖 1）。首先，總結了傳統鈉金屬電池的內在問題，即安全隱患和制造難度，這是推動無負極鈉金屬電池誕生的背景。隨后，討論了無負極鈉金屬電池的機理、構造要求、優勢和挑戰。此外，在調研大量文獻的基礎上，從集流體、電解質和測試方法等方面總結了提高無負極鈉金屬電池性能的策略。最后，簡要討論了我們對這一新興領域的總結和展望。

該文章題目為“Current Progress of Anode-free Rechargeable Sodium Metal Batteries: Origin, Challenges, Strategies and Perspectives”。相關研究成果發表于國際知名期刊Adcanved Functional Materials上。本文第一作者為博士研究生胡澤偉，通訊作者為李維杰教授，通訊單位為中南大學。

圖1. 本文的框架

二、【本文要點】

1．無負極鈉金屬電池的結構和機理

圖2a、b為傳統鈉金屬電池和無負極鈉金屬電池的構造。無負極鈉金屬電池不需要金屬鈉和其他負極材料，顯著降低了電池的整體重量和體積，使其具有更高的能量密度。此外，無陽極設計中沒有鈉箔，消除了處理和生產金屬箔的需要，節省了成本，并提高了電池的安全性。無負極鈉金屬電池由于沒有負極，在電池首次電池充電過程中，正極材料的鈉沉積在負極集流體上，在后續的放電過程，沉積的金屬鈉重新回到正極側。

圖2. 鈉金屬電池和無負極鈉金屬電池的結構以及無負極鈉金屬的工作原理

2．無負極鈉金屬電池優勢

與傳統的鈉金屬電池相比，無負極鈉金屬電池有幾個優點。（1）高安全性；（2）高能量密度；（3）成本低；（4）制造簡便。

圖3. 鈉金屬電池與無負極鈉金屬電池的對比

3．無負極鈉金屬電池的挑戰

盡管無負極鈉金屬電池具有許多優勢，但仍有一些挑戰需要解決。（1）首次充電過程沉積鈉金屬的高活性；（2）鈉枝晶；（3）庫倫效率低；（4）正極鈉源有限；（5）鈉金屬沉積/溶解過程體積膨脹。

圖4. 無負極鈉金屬電池的問題

4.無負極鈉金屬電池優化策略

為了解決上述問題，科研工作者們開展了一系列的工作，主要包括(1)構建新型集流體，(2)優化電解質，(3)設計有利的測量方法。本文詳細總結了每種優化策略并分析了背后的機理，為實現下一代高性能無負極鈉金屬電池提供了思路。

圖5. 無負極鈉金屬電池的改性策略

?三、【總結與展望】

無負極鈉金屬電池由于能夠進一步提高鈉離子電池的能量密度極限和安全性，同時降低電池成本，因而受到越來越多的關注。我們對無負極鈉金屬電池進行了全面的分析，包括其背景、起源、機制、優勢、挑戰、延長循環壽命的各種策略和展望。盡管研究人員付出了相當大的努力，但在實際應用中對無負極鈉金屬的高庫倫效率和高穩定性的要求仍然存在很大的差距。在此基礎上，對未來無負極鈉金屬電池發展提供以下展望：（1）設計高效的電解質；（2）設計多功能的集流體；（3）進一步提高電池安全性；（4）應用先進的表征技術；（5）優化正極材料。

圖6. 無負極鈉金屬電池的展望。

原文詳情：Z. Hu, L. Liu, X. Wang, Q. Zheng, C. Han, W. Li, Current Progress of Anode-Free Rechargeable Sodium Metal Batteries: Origin, Challenges, Strategies, and Perspectives. Adv. Funct. Mater. 2024, 2313823.

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313823

通訊作者簡介

李維杰教授簡介：李維杰在博士與博后期間主要從事有商業應用前景的鈉離子電池電極材料（紅磷負極和普魯士藍正極）的理論與應用研究。2018年榮獲了澳大利亞Discovery Early Career Research Award（DECRA）稱號及項目支持，隨后作為獨立PI開始涉足水系鋅離子電池研究，文章發表在Advanced Energy Materials and Science Advances等。目前為止，以第一作者、共同第一作者和共同通訊作者發表相關 SCI 論文 30 余篇，包括Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Chem. Mater.等，總引用數 5500 余次，h 指數為 37（Google Scholar）。

目前，李維杰老師課題組已完成實驗室的建設，擁有材料制備、電化學檢測等儀器設備，并且，所在系所擁有一些列電化學相關的高端檢測設備，比如原位XRD，DEMS, TOF-SIMS，SEM-FIB等，具有完善的電池電極材料制備和測試條件。課題組主要從事高性能鈉離子電池、鋅離子電池電極材料研發、新能源儲能器件等領域的研究。歡迎有興趣的同學加入我們課題組，課題組招收碩士、博士和博后。

本文由胡澤偉供稿