研究背景
钠金属电池（SMBs）因其高理论容量和低成本，被视为大规模储能的潜力之选。然而，钠金属阳极在充放电过程中易形成枝晶，导致电池循环稳定性差、安全性低，严重阻碍了其商业化应用。枝晶的形成不仅会刺穿隔膜，造成内部短路，还可能引发电池爆炸等安全问题。因此，如何抑制钠金属阳极的枝晶生长，成为钠金属电池研究领域的关键难题。过往的研究中，虽有多种策略被提出，如表面改性、设计新电极结构、开发创新固态电解质等，但这些方法或因机械稳定性不足，或因体积能量密度下降，或因离子导电性低等问题，未能从根本上解决钠金属阳极的枝晶问题。在此背景下，探索一种全新的、能有效抑制钠枝晶生长的阳极策略，对于推动钠金属电池的发展具有重要意义。
成果简介
在这项研究中，研究人员巧妙设计并合成了一种原子铟装饰石墨烯（In/G）材料，为钠金属电池提供了一种无枝晶的阳极解决方案。借助高氧化态的 In-O-C 配位结构和均匀分布的亲钠位点，In/G 材料能够促进钠在电极表面的均匀成核和平面生长，从而有效抑制钠枝晶的生长。实验结果表明，In/G@Na||Na 电池展现出卓越的长循环稳定性，在 8 mA cm² 的电流密度下可稳定循环 160 小时，且在 10 mA cm² 的电流密度下过电位极低，仅为 110 mV。此外，采用 Na3V2(PO4)3 作为正极材料的全电池（NVP||In/G@Na）表现出极高的可逆放电容量，在 40 C 的超高倍率下仍能保持 61 mAh g⁻¹ 的容量，并且在 1 C 倍率下循环 300 次后容量衰减率仅为 0.021%。这些优异的性能表现，充分证明了原子铟装饰石墨烯策略在提升钠金属电池稳定性方面的巨大潜力，为下一代高能量密度钠金属电池的发展提供了全新的方向。
图文导读
图 1：展示了原子 In/G 的制备过程示意图（a），以及 In/G 的 TEM（b）、HRTEM（c）和 HAADF-STEM（d）图像，XPS 图谱（e），XANES 曲线（f）和 EXAFS 谱（g）。
图 2：呈现了 In/G@Na||Na、G@Na||Na 和 Na||Na 电池在 8 mA cm² 电流密度下，1 mAh cm² 面容量的充放电电压曲线（a）；In/G@Na||Na 电池在不同电流密度下的充放电电压曲线（b）；In/G 和 G 电极在 1 mA cm² 电流密度下的钠成核过电位（c）；In/G||Na 和 G||Na 电池在 8 mA cm² 大电流密度下的库仑效率比较（d）。
图 3：为 In/G（a）和 G（b）电极在 3 mA cm² 电流密度下的原位光学显微镜图像，以及 In/G（c）和 G（d）电极在 0.5 mA cm² 电流密度下镀覆 3 mAh cm² 钠后的截面 SEM 图像。
图 4：显示了 Na 原子在 In/G（a）和 G（b）不同吸附位点的示意图，以及 Na 原子在 In/G 和 G 不同吸附位点的结合能（c）；Na 在 G（d）和 In/G（e）电极上的成核和镀覆过程示意图。
图 5：描绘了 NVP||In/G@Na 电池的结构示意图（a）；NVP||In/G@Na 电池在不同倍率下的充放电曲线（b）和倍率性能（c）；NVP||In/G@Na、NVP||G@Na 和 NVP||Na 电池的循环稳定性比较（d）；NVP||In/G@Na 电池在不同扫描速率下的 CV 曲线（e），峰电流与扫描速率平方根的线性拟合图（f），以及峰电流与扫描速率的对数拟合图（g）。
小结
本研究成功开发了一种新型的双层空穴传输层(SnO/PDTON)，为大面积、高效率、稳定的倒置锡钙钛矿太阳能模块提供了重要的材料基础。通过将两种性能较差的HTM材料SnO和PDTON结合，研究者们创造了一种性能优于传统PEDOT:PSS HTL的双层HTL。这种双层HTL不仅解决了SnO HTL的高表面缺陷和与TPsk吸收层的不兼容性问题.
文献：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.12.034
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