中南大学-李维杰教授最新AFM综述︱无负极钠金属电池的研究进展:起源、挑战、策略与展望

一、 【全文速览】

无负极钠金属电池（AFSMBs）作为一种新型电池结构，由于其具有理论能量密度高、安全性高、节省成本和制造工艺简单等优点，在大规模储能系统和便携式电子设备领域显示出巨大潜力。然而，由于库伦效率低、金属枝晶生长和固态电解质（SEI）不稳定等原因，无负极钠金属电池的循环寿命较短，这阻碍了其实际应用。

近日，中南大学李维杰教授课题组对无负极钠金属电池进行全面而翔实的分析，内容包括其背景、起源、机理、优势、挑战、延长循环寿命的各种策略和前景（图 1）。首先，总结了传统钠金属电池的内在问题，即安全隐患和制造难度，这是推动无负极钠金属电池诞生的背景。随后，讨论了无负极钠金属电池的机理、构造要求、优势和挑战。此外，在调研大量文献的基础上，从集流体、电解质和测试方法等方面总结了提高无负极钠金属电池性能的策略。最后，简要讨论了我们对这一新兴领域的总结和展望。

该文章题目为“Current Progress of Anode-free Rechargeable Sodium Metal Batteries: Origin, Challenges, Strategies and Perspectives”。相关研究成果发表于国际知名期刊Adcanved Functional Materials上。本文第一作者为博士研究生胡泽伟，通讯作者为李维杰教授，通讯单位为中南大学。

图1. 本文的框架

二、【本文要点】

1．无负极钠金属电池的结构和机理

图2a、b为传统钠金属电池和无负极钠金属电池的构造。无负极钠金属电池不需要金属钠和其他负极材料，显著降低了电池的整体重量和体积，使其具有更高的能量密度。此外，无阳极设计中没有钠箔，消除了处理和生产金属箔的需要，节省了成本，并提高了电池的安全性。无负极钠金属电池由于没有负极，在电池首次电池充电过程中，正极材料的钠沉积在负极集流体上，在后续的放电过程，沉积的金属钠重新回到正极侧。

图2. 钠金属电池和无负极钠金属电池的结构以及无负极钠金属的工作原理

2．无负极钠金属电池优势

与传统的钠金属电池相比，无负极钠金属电池有几个优点。（1）高安全性；（2）高能量密度；（3）成本低；（4）制造简便。

图3. 钠金属电池与无负极钠金属电池的对比

3．无负极钠金属电池的挑战

尽管无负极钠金属电池具有许多优势，但仍有一些挑战需要解决。（1）首次充电过程沉积钠金属的高活性；（2）钠枝晶；（3）库伦效率低；（4）正极钠源有限；（5）钠金属沉积/溶解过程体积膨胀。

图4. 无负极钠金属电池的问题

4.无负极钠金属电池优化策略

为了解决上述问题，科研工作者们开展了一系列的工作，主要包括(1)构建新型集流体，(2)优化电解质，(3)设计有利的测量方法。本文详细总结了每种优化策略并分析了背后的机理，为实现下一代高性能无负极钠金属电池提供了思路。

图5. 无负极钠金属电池的改性策略

 三、【总结与展望】

无负极钠金属电池由于能够进一步提高钠离子电池的能量密度极限和安全性，同时降低电池成本，因而受到越来越多的关注。我们对无负极钠金属电池进行了全面的分析，包括其背景、起源、机制、优势、挑战、延长循环寿命的各种策略和展望。尽管研究人员付出了相当大的努力，但在实际应用中对无负极钠金属的高库伦效率和高稳定性的要求仍然存在很大的差距。在此基础上，对未来无负极钠金属电池发展提供以下展望：（1）设计高效的电解质；（2）设计多功能的集流体；（3）进一步提高电池安全性；（4）应用先进的表征技术；（5）优化正极材料。

图6. 无负极钠金属电池的展望。

原文详情：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.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313823

通讯作者简介

李维杰教授简介：李维杰在博士与博后期间主要从事有商业应用前景的钠离子电池电极材料（红磷负极和普鲁士蓝正极）的理论与应用研究。2018年荣获了澳大利亚Discovery Early Career Research Award（DECRA）称号及项目支持，随后作为独立PI开始涉足水系锌离子电池研究，文章发表在Advanced Energy Materials and Science Advances等。目前为止，以第一作者、共同第一作者和共同通讯作者发表相关 SCI 论文 30 余篇，包括Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Chem. Mater.等，总引用数 5500 余次，h 指数为 37（Google Scholar）。

目前，李维杰老师课题组已完成实验室的建设，拥有材料制备、电化学检测等仪器设备，并且，所在系所拥有一些列电化学相关的高端检测设备，比如原位XRD，DEMS, TOF-SIMS，SEM-FIB等，具有完善的电池电极材料制备和测试条件。课题组主要从事高性能钠离子电池、锌离子电池电极材料研发、新能源储能器件等领域的研究。欢迎有兴趣的同学加入我们课题组，课题组招收硕士、博士和博后。

本文由胡泽伟供稿