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突破钠电池实用化瓶颈！分析测试中心助力我校雷丹妮/王成新团队创新梯度双层负极，能量密度超200 Wh kg⁻¹

发布人：张博琳发布日期：2025-12-16

可持续能源存储技术的革新，迫切需要兼具高性价比与优异性能的电池技术支撑。钠作为地壳中丰度更高、成本更低的元素，使钠基电池成为锂离子电池极具潜力的替代方案，在可再生能源领域备受关注。然而，传统钠电池负极长期以来被三大难题紧紧束缚：枝晶生长带来安全隐患、活性钠不可逆损耗导致容量衰减、电极/电解质界面不稳定致使循环寿命缩短，严重阻碍了其商业化进程。因此，开发新型高效安全的负极成为行业的关键诉求。

近日，中山大学材料科学与工程学院雷丹妮教授、王成新教授团队针对性破解这一难题，成功构建梯度锡钠合金 / 金属钠双层负极（GNS/Na），为钠电池实用化迈出关键一步。该设计颠覆传统单一 “抑枝晶” 或 “补钠” 思路，在结构设计上实现了核心问题突破：上层梯度钠锡合金相作为离子缓冲层，同步优化离子存储热力学与离子传输动力学，从根源抑制枝晶生长；下层金属钠充当动态钠离子 “储库”，既保障上层合金相结构稳定，又高效弥补长循环中活性钠的损耗，一举解决枝晶、Na⁺损耗、电极/电解质界面不稳定三大痛点。性能验证显示，该改性负极与30 mg cm⁻² 高载量磷酸钒钠正极匹配的全电池，能量密度突破200 Wh kg⁻¹，且实现稳定长循环，完美适配工业级高能量密度、长寿命需求。更重要的是，这种 “梯度双层结构” 重新定义了钠电池负极设计逻辑，其核心原理可推广至钾电池、锂金属电池等后锂电池体系，为高能电池的电极创新提供了通用范式。

图1 梯度钠锡合金/金属钠双层负极的设计原理与基于该负极的全电池循环性能

该重要研究成果以 “Dynamic ion-buffering gradient bilayer anode realizes 200 Wh kg⁻¹ dendrite-free sodium battery” 为题，在线发表于国际权威期刊《National Science Review》（DOI：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf427）。中山大学材料科学与工程学院博士生叶思阳为第一作者，王成新教授、雷丹妮教授为共同通讯作者，中山大学为论文唯一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金以及中山大学分析测试中心的大力支持。

由于该电极材料对空气高度敏感，其表征工作面临较大挑战。为此，研究团队依托分析测试中心的透射电子显微镜（FEI Tecnai G2 F30），系统优化了样品制备流程，并完成了前期样品的筛选工作。同时，X射线光电子能谱（ESCALAB Xi+）分析从化学态层面提供了决定性数据：不仅证实了前驱体中Sn²⁺被成功还原为金属锡，验证了制备反应路径；其深度剖析功能进一步揭示，循环后电极表面覆盖了一层富含NaF、Na₂O等稳定成分的SEI膜，且未检测到钠枝晶沉积，从界面化学角度阐明了该电极高稳定性和无枝晶特性的根本原因。这些由本中心设备获得的关键证据，与扫描电镜、X射线衍射等辅助表征结果相互印证（图2），共同证实了通过原位化学置换与热处理成功构建了成分与电势梯度的新型负极结构，为其卓越的电化学性能奠定了坚实的科学与数据基础。