研 究 背 景

无负极钠金属电池（AFSMB）凭借高能量密度和低成本优势备受瞩目，但长期受制于钠沉积不均匀、枝晶生长导致库伦效率（CE）低与循环寿命短等瓶颈。三维碳基骨架虽能缓冲体积变化并均匀化电流密度，但受限于迟缓的亲钠动力学，其在大电流/高面容量下的循环稳定性仍有待提升。因此，通过引入亲钠组分协同优化碳纳米管基体的离子/电子流分布，实现钠成核与生长的全过程调控，是迈向无负极钠金属电池实际应用的关键路径。

成 果 介 绍

昆明理工大学梁风、熊仕昭等人提出了一种基于铁锚定多壁碳纳米管（CNT-Fe）的三维多孔材料作为高效钠沉积宿主。利用高亲钠Fe位点与C 2p-Fe 3d轨道杂化降低钠吸附能并加速电荷转移，实现了7.6 mV的极低成核过电位。基于该设计的CNT-Fe@Cu集流体展现出卓越的电化学性能：半电池以99.9%的平均CE稳定循环1100圈，对称电池实现了超过2900 h的优异稳定性，无负极钠金属全电池（NVP正极，负载量10 mg cm^-2）在循环150圈后容量保持率高达84.3%。该成果以“Moving Beyond 99.9% Coulombic Efficiency for Anode-Free Sodium Metal Battery”为题发表在Carbon Energy期刊上。昆明理工大学博士生刘盼与侯敏杰讲师为论文共同第一作者，昆明理工大学梁风教授与熊仕昭教授为论文通讯作者。

研 究 亮 点

1. 利用原位热还原构建CNT-Fe三维多孔骨架，通过协同优化电场分布与界面亲钠性，实现了7.6 mV的超低成核过电位，并使半电池在1100次循环中CE稳定在99.9%。

2. 在10 mAh cm^-2的极高面容量条件下，实现了超过2900 h的可逆钠沉积/剥离，展现出卓越的循环稳定性。

3. 匹配NVP正极（10 mg cm^-2）构筑的无负极全电池，初始放电比容量为80.2 mAh g^-1，150次循环后容量保持率达84.3%，兼具了高能量密度与长循环寿命的需求。

图 文 解 析

图1 CNT-Fe@Cu集流体的合成与结构表征

通过XRD、SEM、TEM等表征证实，纳米Fe（~20 nm）均匀锚定于三维CNT多孔网络，赋予电极极佳的电解液浸润性（接触角~0°），为实现均匀的钠沉积奠定了坚实的结构基础。

图2 不同集流体在钠沉积/剥离过程中的电化学性能

半电池循环性能揭示，CNT-Fe@Cu将成核过电位大幅降至7.6 mV，在1 mA cm^-2的电流密度下以99.93%的超高CE稳定运行1100圈。即使在4 mA cm^-2的苛刻条件下，仍能在900圈内保持99.99%的高CE，展现出卓越的沉积可逆性。

图3 钠沉积在不同集流体上的形貌

SEM及光学形貌对比清晰呈现，相较于纯Cu箔表面生长的苔藓状枝晶及“死钠”，CNT-Fe@Cu集流体成功诱导了平滑、致密且无枝晶的钠金属沉积。

图4 钠沉积在不同集流体上的界面稳定性分析

对称电池测试表明，得益于三维骨架与亲钠位点的协同增强效应，CNT-Fe@Cu实现了超2900 h的长效稳定循环，从根本上抑制了“死钠”积累和SEI膜的反复破裂与再生。

图5 理论计算和多物理场模拟

结合DFT计算与多物理场模拟分析可以发现，CNT-Fe凭借其独特的电子结构显著降低了钠的吸附能，并在诱导局域电场与离子通量均匀分布的过程中发挥了关键作用。

图6 实际应用全电池电化学性能

高负载（10 mg cm^-2）下的全电池性能凸显了该集流体的实用化优势，其84.3%的高容量保持率有效克服了传统Cu箔界面不稳定、循环寿命有限的瓶颈。

研 究 小 结

综上所述，本研究开发了一种铁锚定碳纳米管功能化集流体（CNT-Fe@Cu），能够实现高效可控的钠金属沉积，为应对AFSMBs中的关键挑战提供了可行策略。理论与实验结合分析表明，Fe纳米颗粒显著增强了钠亲和力，吸附能降低至–1.757 eV。C 2p-Fe 3d轨道的杂化促进了界面电子转移，实现了7.6 mV的超低成核过电位。多物理场模拟进一步证实CNT-Fe结构均匀电场和Na⁺浓度分布，有效抑制枝晶生长，该集流体因此展现出优异的电化学性能。本研究不仅证明了CNT-Fe@Cu在AFSMBs中的实际潜力，而且通过战略性调控碳基材料的结构和性质，为实际的高能量密度金属电池确立了通用的设计原则。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Moving Beyond 99.9% Coulombic Efficiency for Anode-Free Sodium Metal Battery

文章研究方向：

电池— —无负极钠金属电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70224

DOI: 10.1002/cey2.70224

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 21.4

5-年影响因子 21.3

JCR分区 Q1

CiteScore 32.7

官网 www.carbonenergy.org

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