當前，市場對高能量密度和高安全性的先進儲能系統的需求日益迫切。盡管鋰離子電池（LIBs）已被廣泛接受，但其在電動車、智能電網和大規模儲能站的應用受到了鋰資源有限及地理分布不均的限制。作為LIBs的有前景替代品，鈉離子電池（SIBs）由于鈉資源豐富且成本低，并具有與鋰類似的電化學性質而受到越來越多的關注。

然而目前實際應用中的鈉離子電池負極材料，如硬碳，仍存在比能量密度低和Na+傳輸動力學不足的問題。金屬鈉具有高的理論比容量（1166 mAh g?1）和低的氧化還原電位（相對于標準氫電極為-2.71 V），被認為是理想的鈉金屬電池（SMBs）負極材料。但是，由于固體電解質界面（SEI）層反復破裂和再生導致電解液持續消耗，以及循環過程中鈉沉積不均勻引發枝晶生長、短路甚至安全隱患等問題，嚴重阻礙了鈉金屬電池的商業化進程。

針對上述問題，廈門大學的研究團隊利用澤攸科技原位TEM進行了深入研究，他們成功合成了一種中空介孔碳納米片負載小于10 nm的SnO2納米顆粒（SnO2@HMCNS）作為鈉金屬負極宿主材料，解決了鈉枝晶生長和離子傳輸緩慢的問題。相關成果以“Synergistic Effect of Mesoporous Carbon-Based Framework with Sodiophilic Nanoparticles for Stable Sodium Metal Anodes”發表在《Advanced Functional Materials》期刊，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502032

這篇論文主要研究了一種結合介孔碳基框架與親鈉納米顆粒的協同效應，用于穩定鈉金屬負極的設計與性能優化。研究團隊通過化學修飾和結構設計，成功合成了負載小于10 nm SnO2納米顆粒的中空介孔碳納米片（SnO2@HMCNS）作為鈉金屬負極宿主材料。這種設計不僅解決了鈉枝晶生長的問題，還顯著提升了離子傳輸效率。SnO2納米顆粒作為親鈉位點引導均勻的鈉沉積，而開放的介孔通道則促進了離子傳輸并有效穩定了親鈉種子，從而降低了成核過電位，并實現了長期無枝晶的鈉沉積。

圖 SnO?@HMCNS合成過程的示意圖

圖 (a,b) SnO?@HMCNS的SEM圖像；(c) TEM圖像。(d,e) 開放介孔通道的TEM圖像，其中e圖的插圖為介孔通道內SnO?納米顆粒的高分辨TEM圖像。(f) 碳片表面納米顆粒的TEM圖像，插圖為顆粒尺寸分布。(g) 碳片表面SnO?納米顆粒的高分辨TEM圖像；(h) SAED；(i) XRD圖譜；(j) XPS全譜；(k) N?吸附/脫附等溫線；(l) 孔徑分布圖

在實驗過程中，研究團隊通過對SnO2@HMCNS材料的形貌、晶體結構及化學組成進行了全面表征，驗證了其優異的性能。SnO2納米顆粒分布在碳納米片表面并嵌入介孔通道內，這種結構不僅能防止SnO2顆粒聚集，還能限制其在充放電過程中的體積變化，從而延長循環壽命。此外，介孔通道顯著增加了材料的比表面積，為Na+提供了更快的表面擴散路徑。當介孔通道被鈉金屬填滿時，新形成的Na/C界面進一步加速了界面擴散，從而提高了傳輸動力學性能。

圖 (a–c) 在不同沉積容量(1–8 mAh cm?2)下，SnO?@HMCNS、HMCNS和SnO?@CS電極表面形貌的SEM圖像

電化學測試結果表明，SnO2@HMCNS電極在高面積容量下表現出的循環穩定性，在4 mA cm?2電流密度下的2 mAh cm?2容量循環約1800小時，平均庫侖效率高達99.8%。對比實驗顯示，僅依賴碳基質或SnO2納米顆粒的材料無法實現類似的長期穩定性。這突出了介孔碳框架與親鈉種子之間的協同作用，既提供了Na+傳輸通道，又為親鈉種子提供了穩定的錨定位點。

圖 (a1, a2) SnO?@HMCNS電極在原始狀態和經過20次循環后顆粒的高分辨TEM圖像。(b1, b2) SnO?@CS電極在原始狀態和經過20次循環后顆粒的高分辨TEM圖像。(c1–c4) 時間分辨原位TEM圖像，顯示SnO?@HMCNS的鈉化過程；(d1–d3) 時間分辨高分辨TEM圖像，顯示SnO?@CS上顆粒的融合過程

最后研究團隊將SnO2@HMCNS應用于全電池測試，與Na3V2(PO4)3（NVP）正極組裝成無負極鈉金屬電池，進一步驗證了其實際應用潛力。在0.1 A g?1電流密度下，經過200次循環后，電池仍能保持約80%的容量，且庫侖效率高達98.1%。這種優異的性能歸因于SnO2@HMCNS的獨特設計，不僅解決了鈉枝晶問題，還顯著提升了鈉金屬負極的長期循環穩定性和倍率性能。這項研究為開發高性能鈉金屬電池提供了一種可行的策略，同時揭示了親鈉種子與多孔骨架之間相互作用的重要性。