南京大学郭少华

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钠金属具有~1166 mA h g−1的高理论比容量和−2.71 V的低氧化还原电位而使得钠金属电池（SMBs）在新能源领域展现出诱人的应用前景。然而，SMBs在极端环境下的研究还没有得到足够的重视，特别是在低温（LT）和高温（HT）环境中。更严重的是，一些机理性问题，如钠金属成核和沉积行为、枝晶生长、界面化学和不稳定的固体电解质界面（SEI）等，仍处于迷雾之中，令人困惑。

         近日，南京大学现代工程与应用科学学院郭少华教授、周豪慎教授团队从SMBs的运作原理出发，指出了SMBs在不同环境中面临的阻碍，并提出了多种针对性的优化策略，包括钠宿主框架的构建、人工SEI设计和液体（固态）电解液/钠金属负极界面的优化。每种策略都从精心挑选的案例出发，然后深入刨析了钠金属在结构中的成核和沉积行为。最后，研究团队对宽温域SMBs在未来的研究作出重要展望，具体如下：
         探索宽温域环境下钠沉积的理论基础。温度能够极大地影响钠金属的成核和沉积行为。钠金属的反应活性随着温度的升高而变得活跃，而在LT下则相反，这极大地阻碍了SMBs电化学行为的探测。因此，一些智能的、多功能的原位设备被迫切期待来推动SMBs度过其婴儿期。
         最小化不同温度下的界面副反应。严重的钠金属负极/电解液界面副反应诱导形成不稳定SEI层，并显著耗尽电解液，从而极大地缩短SMBs的循环寿命。因此，最大限度地减少不同温度下的界面副反应是实现高能量密度、高安全性和高稳定性SMBs的捷径。未来，在设计方案中应充分考虑一些可以减少界面副反应的关键点，如拓宽电解液的电化学窗口、优化SEI组分和提高电极/电解质的兼容性。
         设计新型宽温域电极和电解质。在设计和开发新型电极材料时，应充分考虑不同环境下钠金属的电镀/剥离行为，复合结构的离子电导率和SEI层的组分形成。同时，电解液应该具有快速的钠离子传输动力学和优异的溶剂化/去溶剂化结构（特别是在极端环境中）来确保SMBs良好运行。
         重视SMBs全电池的性能优化。SMBs全电池是最终投入实际应用的设备。因此，有必要优化SMBs全电池的一些重要指标，如提高能量密度、延长使用寿命、最大限度地减少安全隐患、降低成本，这有利于提高其在未来工业发展中的竞争力。值得注意的是，在进入实际制造市场之前，应重点模拟SMBs全电池在不同温度环境下的运行情况。
         可变温度下电极演变的原位分析。尽管已经使用了多种原位分析工具，但一些基本原理，包括钠金属形核/沉积、界面反应、枝晶形成等，仍然模糊不清。因此，为了更好地可视化可变温度下的电极演变，应进一步完善现有的，先进的原位分析技术，同时探索新型的，可环境模拟的原位表征工具。不可否认的是，开发新的原位分析工具有利于清晰化SMBs现有的困惑。
        总的来说，这篇综述将为未来高能量密度、长寿命、低成本和高安全性的宽温域SMBs的设计提供一份指南，并激励更多的研究人员关注极端环境下电池的运作机制。
该综述由现代工学院郭少华教授和周豪慎教授团队完成，以“Wide-range temperature sodium-metalbatteries: From fundamentals, obstacles to optimization”为题于2023年8月25日在线发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science上。南京大学现代工学院博士生孙瑜为论文第一作者，南京大学现代工学院郭少华教授为通讯作者，南京大学现代工学院周豪慎教授为本论文做出了重要指导，南京大学现代工学院博士生李精昌为本工作提供了帮助。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金委等的支持。


        论文信息：
        Title: Wide-range temperature sodium-metal batteries: From fundamentals, obstacles to optimization
        Authors: Yu Sun, Jing-Chang Li, Haoshen Zhou, Shaohua Guo
        Energy & Environmental Science
         https://doi.org/10.1039/D3EE02082G