【澎湃新闻】原标题：【复材资讯】吉林大学杜菲、魏芷宣/中国科学院长春应用化学研究所孙敬茹AM：双功能界面层设计助力高效、长寿命无负极全固态钠电池

【研究背景】无负极全固态钠电池因其极高的能量密度和显著的成本优势，被视为极具前景的下一代储能技术。然而，其实际应用仍面临严峻挑战，主要包括对钠枝晶形成机制认识不足，以及缺乏有效策略来解决刚性的多相界面、缓解体积膨胀，并重新激活电化学失活的“死钠”等问题。这些界面问题导致电池库仑效率低下和循环寿命缩短，严重阻碍了该技术的商业化进程。

【工作简介】

近日，吉林大学物理学院、新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、魏芷宣教授团队，联合中国科学院长春应用化学研究所孙敬茹副研究员，设计了一种双功能的碘化弹性人工界面层。该工作首先系统研究了钠在铜集流体与Na5SmSi4O12固体电解质界面处的形貌演化与失效机制。基于此认识，所设计的功能界面层通过光引发聚合和原子键合确保共形界面接触，同时利用引入的I3-离子通过自发反应重新激活“死钠”。基于该界面设计的Na|Cu半电池在1.5 mA cm-2电流密度下实现了超过1000小时的稳定循环，平均库仑效率高达99.7%。当与Na3V2(PO4)3正极匹配构建无负极全电池时，在1.0 mA cm-2下循环2000次后容量保持率为85.8%，并在28 mg cm-2的高面负载下运行三个月后仍能保持92.8%的容量。该工作为高性能、长寿命的无负极全固态钠电池提供了一种通用且可扩展的界面设计策略。该文章发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。博士研究生伊博谦为本文第一作者。

【内容表述】

为实现高性能的无负极全固态钠电池，构建稳定、高效的界面至关重要。理想的界面需要同时解决机械接触、离子传输和副反应等多个问题。本研究选用典型的钠超离子导体Na5SmSi4O12作为模型固体电解质，但其与刚性铜集流体之间的固-固接触不良，导致钠沉积不均匀，易形成枝晶或球形“死钠”聚集体。此外，界面副反应生成的脆性SEI层会包裹钠，并在循环应力下破裂，导致钠被挤出并失活。因此，迫切需要一种能同步实现紧密接触、适应体积变化并活化“死钠”的综合性界面工程策略。

为了揭示无负极全固态钠电池的失效根源，研究首先对无界面修饰的基准电池体系进行了深入分析。通过组装Na|NSSO|Cu半电池并循环，研究者利用共聚焦激光扫描显微镜、扫描电子显微镜及X射线光电子能谱深度剖析等多种表征手段，系统观测了失效后界面处“死钠”的形貌与分布。分析发现了三种典型的失效模式：在界面接触完全丧失的区域，钠倾向于形成孤立的球形聚集体；在保持接触但存在应力的区域，钠枝晶会沿固体电解质的晶界或裂纹生长渗透；此外，由界面副反应生成的脆性固体电解质界面层会在循环中破裂，导致其包裹的钠被挤出并形成具有裂纹网络的丝状结构。这些结果清晰地表明，刚性的固-固界面接触不良、循环过程中的体积变化应力以及持续的界面副反应，是导致钠沉积不均匀、活性钠被隔离并最终失效的核心机制。

图1：a) 循环后铜集流体表面钠的三维形貌；b) 球形“死钠”的形貌与元素分布；c) 电解质表面钠残留的光学照片及核磁共振谱；d) 渗透进入电解质的钠枝晶形貌；e) 接触不良区域形成的球形钠；f) 挤出丝状“死钠”的形貌；g) 循环后界面的成分深度剖析；h) 三种“死钠”失效模式示意图。

基于上述失效机理，研究团队设计并构建了一种具有碘化聚合物弹性人工界面层（I-PIL）。该界面层通过将含有光引发剂和I3-添加剂的液态前驱体涂覆于集流体与电解质之间，经紫外光照射原位聚合而成。通过傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析，证实了聚合过程中在铜集流体表面形成了Cu-N配位键，在NSSO电解质表面形成了Si-O-C共价键，从而实现了原子级别的紧密界面结合。机械性能测试表明该聚合物层具有良好的弹性，能够适应钠沉积/剥离过程中的体积变化。同时，密度泛函理论计算与外部化学实验共同验证，引入的I3-添加剂能够自发地与金属钠反应，具备将“死钠”重新活化的化学功能。因此，I-PIL成功集成了确保初始紧密接触、缓冲机械应力以及化学补救活性损失这三重功能。

图2：a) I-PIL的制备与界面形成示意图；b) I-PIL的循环拉伸曲线；c) 界面各组分的红外光谱；d, e) 界面的XPS分析及结合能计算；f) I3-与钠反应的理论计算与实验验证；g) 原位拉曼监测I3-消耗过程；h) 循环前后I-PIL的碘元素XPS谱。

为了评估I-PIL界面层的电化学效能，研究者组装了基于不同界面设计的Na|NSSO|Cu半电池进行对比测试。电化学测试表明，采用I-PIL的电池表现出极低的钠沉积成核过电位和剥离过电位，远优于无碘或非原位聚合的对照组。库仑效率测试进一步显示，I-PIL电池能够实现接近100%的平均库仑效率，并且在1.5 mA cm-2的高电流密度下稳定循环超过1000小时，性能显著领先。这些数据直接证明了I-PIL界面层能够大幅提升钠金属沉积的均匀性和可逆性，有效抑制了因界面问题导致的容量衰减。

图3：a, b) 不同界面电池的沉积/剥离曲线与过电位；c) 基于Aurbach方法的库仑效率对比；d) 对称电池的长循环库仑效率；e) I-PIL电池的倍率循环性能；f, g) 大电流密度下的循环电压曲线与库仑效率。

为了直观展示I-PIL对界面稳定性和钠沉积形貌的调控作用，研究采用聚焦离子束-扫描电子显微镜对不同循环阶段后的电池进行了横截面分析。结果显示，在I-PIL的保护下，首次沉积的钠金属层光滑且致密，与界面结合良好；即使经过数十次循环后，钠层依然保持连续完整，剥离后界面清晰，几乎没有残留的“死钠”。相比之下，缺乏碘活化功能的对照组在循环后出现了明显的多孔钠结构和孤立的“死钠”区域；而非原位制备的界面层则因结合力弱，早期就出现了严重的界面分层和钠的不均匀聚集。这些形貌证据直观地证实了I-PIL在维持长期界面完整性、引导钠均匀沉积方面的关键作用。

图4：a–d) I-PIL界面在不同循环阶段的横截面形貌；e–h) PIL界面在对应阶段的横截面形貌；i–l) N-PIL界面在对应阶段的横截面形貌；m, n) 循环后I-PIL界面的XPS与TOF-SIMS分析。

最终，为了验证该界面设计策略在全电池中的实际应用潜力，研究者构建了以Na3V2(PO4)3为正极的完整无负极全固态电池。电化学性能测试表明，该全电池具有高的可逆容量和优异的倍率性能。更重要的是，在1.0 mA cm-2的电流密度下循环2000次后，电池仍能保持85%以上的初始容量，展现出卓越的长循环稳定性。即使在使用高达28 mg cm-2的正极面负载时，电池在长时间运行后仍能保持超过90%的容量，这充分证明了I-PIL双功能人工界面层对于实现高性能、实用化无负极全固态钠电池的有效性和可靠性。

图5：a) 全电池结构示意图；b) 全电池的充放电曲线；c) 全电池倍率性能对比；d) 高负载全电池的长循环性能；e) 与同类工作的性能对比图。

核心结论

本研究成功开发了一种集成了机械与化学双功能的碘化弹性人工界面层，用于解决无负极全固态钠电池的界面难题。该策略通过光引发原位聚合确保了原子级初始键合与均匀的Na+流，聚合物基体的弹性适应了体积变化，而I3-添加剂则提高了钠动力学并重新激活了“死钠”。这些特性协同作用，有效抑制了“死钠”形成，大幅提升了界面稳定性。电化学测试表明，基于I-PIL的电池在倍率性能、循环寿命和库仑效率方面均表现出色。该工作为开发高能量密度、长寿命的无负极全固态钠电池提供了关键见解和有效的界面解决方案。

原标题：《【复材资讯】吉林大学杜菲、魏芷宣/中国科学院长春应用化学研究所孙敬茹AM：双功能界面层设计助力高效、长寿命无负极全固态钠电池》