嵌Sb空心碳纳米纤维协同离子输运与空间限域而实现稳定钠金属负极
钠金属电池（SMBs）因钠资源丰富、理论容量高（1166 mAh g-1）、氧化还原电位低，是高能量密度储能系统的理想选择。但钠金属负极（SMA）存在枝晶不可控生长、固体电解质界面（SEI）不稳定、副反应严重等问题，导致库伦效率低、循环寿命短、安全风险高。
传统3D核壳宿主虽能解决枝晶和SEI不稳定的问题，但仍存在离子输运调控不足、合成工艺复杂、亲钠位点仅作为静态成核点等缺陷，亟需设计兼具高效离子输运与空间限域的新型钠金属宿主。
近日，郑州大学与新加坡国立大学联合团队，通过静电纺丝和湿法刻蚀策略，制备出3D亲钠嵌Sb空心碳纳米纤维（Sb@HCF）宿主材料。结合原位表征与理论模拟，证实原位形成的Na-Sb合金可同步实现均匀钠沉积引导与Na+快速输运，协同抑制枝晶、构建富NaF稳定SEI，大幅提升钠金属负极的循环稳定性与倍率性能，为高能量密度钠金属电池的应用提供新方案。
图1.结构与组成表征。(a)Sb@HCF与HCF的钠沉积行为示意图对比。(b)SEM图像，显示Sb@HCF的三维纤维状结构。(c)TEM图像显示空心腔体及Sb纳米颗粒的均匀分布。(d)Sb晶粒的高分辨透射电子显微镜图像。(e)Sb@HCF的SAED。(f)Sb@HCF中Sb、C和N的EDS元素mapping。(g)Sb@HCF和HCF的XRD图。
原位 TEM/XRD：Sb原位与Na反应生成Na3Sb合金，该合金在钠负极工作电压窗口内稳定存在，既是亲钠成核位点，又是Na⁺快速输运通道。
理论模拟：Na3Sb对Na+吸附能达-2.58 eV（HCF仅-0.03 eV），Na⁺扩散系数（9.43×10-13 cm² s-1）是HCF的近10倍，离子输运动力学显著提升。
缓解应力：空心结构缓冲钠沉积 / 合金化的体积膨胀，维持结构完整性。
深度刻蚀XPS：Sb@HCF表面SEI富无机NaF、Na2O，有机组分（C-O/C=O）显著低于HCF。
TEM表征：循环后电极Sb@HCF表面SEI薄层致密且均匀；HCF表面SEI厚且不均匀。
界面稳定：致密无机SEI阻断副反应，抑制SEI反复破裂重构，提升界面稳定性。
原位光学观测：2 mA cm-2下，Sb@HCF表面90 min内始终无枝晶、均匀沉积；铜箔15 min出现枝晶，HCF 30 min出现枝晶。
COMSOL模拟：Sb纳米颗粒提供均匀成核位点，电流密度分布均匀，消除尖端效应。
非原位 SEM：钠沉积/剥离后，Sb@HCF结构完整、无钠残留；HCF 与铜箔出现残留钠与枝晶。
半电池：4 mA cm-2/4 mAh cm-2下，1400次循环库伦效率99.88%，远优于纯空心碳（HCF）与铜箔。
对称电池：10 mA cm-2/2 mAh cm-2条件下稳定运行1200 h，电压滞后仅58 mV；累计沉积容量达 6 Ah cm-2，交换电流密度2.86 mA cm-2。
全电池：匹配Na3V2(PO4)3@C正极，100 mA g-1 下1000 次循环容量保持84.10mAh g-1，库伦效率 98.05%。
柔性软包电池：弯折180°仍稳定工作，200 次循环平均库伦效率 98.51%。
Synergistic lon Transport and Spatial Confinement in Sb-Embedded Hollow Carbon Nanofibers for Stable Na MetalAnodes
https://doi.org/10.1002/advs.202521115
杨会颖（Hui Ying Yang）教授新加坡国立大学材料科学与工程系教授、博士生导师，国际知名储能材料专家。2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年，并于2016年升任终身副教授，2022年升任终身教授。现任东盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英国皇家化学学会会士 (Fellow of royal society of chemistry (FRSC)) ，新加坡工程师学会会士 (Fellow of Institution of Engineering Singapore (FIES)) ，美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，新加坡化学学会及材料学会会员。她荣获多项国际科技奖项，其中包括2013年获新加坡杰出青年工程成就奖、2013年获陈嘉庚青年发明家奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖及 2018年获新加坡物理学会纳米科技奖，2023年新加坡杰出女化学家奖等。主持多个国际及新加坡国家重大项目研究课题工作。迄今为止，在Nat. Commun., Sci. Adv., Chem, Matter, Adv. Mater, Energy Environ. Sci等期刊上发表 SCI论文 400 余篇，她引超过31000 次，H指数突破100。
许婷婷，郑州大学副教授，近年来聚焦钠金属负极的界面失效机制与性能强化策略，开展了从理论模拟、材料创新到原位表征的系统研究。以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition，Advanced Functional Materials，Advanced Science等国际权威期刊上已发表SCI学术论文30余篇，主持并完成国家自然科学基金和省自然科学基金。
王辉，郑州大学物理学院副教授，以第一/通讯作者在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science, ACS Nano, Energy Storage Materials, Small, Small Methods, Chemical Engineering Journal，Journal of Materials Chemistry A上发表文章20余篇，被引3000余次，参与和主持多项国家自然科学基金和省级自然科学基金，获授权发明专利多项。
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