5 月 12 日消息，據(jù)中國科學(xué)院之聲消息，近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所設(shè)計了三維多孔碳支撐的超薄鈉負極結(jié)構(gòu)，賦予鈉負極快速的離子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，緩解了局部電荷積累，實現(xiàn)了無枝晶的鈉沉積。
相關(guān)研究成果以 Sodium-Ion Pump Enhanced Composite Sodium Anode Toward Fast-Charging and Practical N / P Ratio Solid-State Sodium Metal Batteries 為題，發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。
據(jù)介紹，固態(tài)鈉電池兼具資源豐富、安全性高、比能量高等特點，因此被認為是最具應(yīng)用前景的新型儲能技術(shù)之一。然而，固態(tài)鈉電池在應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，如鈉金屬負極與固態(tài)電解質(zhì)之間的固-固接觸導(dǎo)致高界面電阻和鈉枝晶的形成，降低了鈉的利用率，損害了電池的循環(huán)穩(wěn)定性；商業(yè)化制造的鈉箔厚度大多在 50μm 以上，較高的 N / P 比難以提供額外的容量，造成電池比能量的降低等。
針對上述問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀和吳相偉團隊設(shè)計了三維多孔碳支撐的超薄鈉負極結(jié)構(gòu)，即在 NASICON 型電解質(zhì)表面構(gòu)建由金屬有機框架 ZIF-8 / ZIF-67 衍生的三維多孔碳支撐層（NCC）作為界面修飾層。研究利用孔道的毛細作用改善熔融鈉在固體電解質(zhì)表面的潤濕特性，并通過優(yōu)化 NCC 厚度調(diào)控金屬鈉電極的厚度。
同時，研究利用碳材料的儲能特性，在界面層中形成具有高離子擴散系數(shù)和良好導(dǎo)電性的鈉化碳，并在電化學(xué)反應(yīng)過程中充當(dāng)鈉離子泵，形成三維的離子 / 電子混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，賦予鈉負極快速的離子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，緩解了局部電荷積累，實現(xiàn)了無枝晶的鈉沉積。
實驗結(jié)果表明，對稱電池實現(xiàn) 3.5mA cm?2 的高臨界電流密度和 0.2mA cm?2 下 6000 h 的長循環(huán)壽命。同時，匹配 Na3V2 (PO4) 3 正極的全電池在 10C 下經(jīng)歷 5100 次循環(huán)后展現(xiàn)出 90.2% 的高容量保持率，且使用有限鈉金屬負極與高面載量（17.3mg cm?2）的 Na3V2 (PO4) 3 正極組裝的固態(tài)鈉電池，在 N / P 比低至 1.05 的條件下，循環(huán) 100 次后的容量保持率高達 97%。
這一研究為設(shè)計實用化高能量密度和長循環(huán)壽命的固態(tài)鈉金屬電池奠定基礎(chǔ)。
附論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202501061
