中国科学院团队设计三维多孔碳支撑超薄钠负极结构,攻克固态钠电池枝晶与界面难题,实现高性能电池突破,推动低成本、高安全储能技术发展 。
在全球能源转型的关键节点,电池技术的革新始终牵动着科研界的神经。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所的一项突破性成果引发了广泛关注——由研究员温兆银和吴相伟团队设计的三维多孔碳支撑超薄钠负极结构,成功破解了固态钠电池领域长期存在的枝晶生长与界面稳定性难题。这项成果不仅标志着固态钠电池向实用化迈出关键一步,更为高能量密度、长循环寿命储能设备的研发开辟了全新路径。

固态钠电池的崛起:机遇与挑战并存
在锂离子电池独霸市场多年后,钠离子电池因其资源丰富(钠储量是锂的1000倍以上)、成本低廉(钠价仅为锂的1/50)和高安全性(无热失控风险)等优势,逐渐成为新能源领域的“潜力股”。尤其是固态钠金属电池,因采用固态电解质替代传统液态电解液,理论上能彻底解决锂枝晶刺穿隔膜导致的安全隐患。然而,“高界面电阻”和“枝晶不可控生长”两大顽疾始终制约其发展。
具体而言,固态钠金属电池在工作时面临两大挑战:
- 界面电阻过高:钠金属负极与固态电解质之间的固-固接触面积有限,导致电流传导效率低下;
- 枝晶不可控生长:钠沉积不均匀,易形成尖锐枝晶,刺穿电解质并引发短路,大幅降低循环寿命与安全性。
此外,传统钠箔(厚度≥50μm)导致的高N/P比(负极/正极容量比)问题也进一步抬升了电池成本。如何通过材料设计与结构优化实现高效、稳定的钠金属负极,成为科研攻坚的核心命题。
创新结构设计:三维多孔碳的“四重破解之道”
针对上述问题,温兆银团队提出了一种三维多孔碳支撑超薄钠负极结构,其设计精妙之处体现在以下四个维度:
1. 增强润湿性:破除固-固接触壁垒
传统工艺中,熔融钠难以均匀铺展于固态电解质表面,导致局部电流密度过高。研究团队借助金属有机框架衍生的三维多孔碳(NCC)毛细作用,显著提升钠金属在电解质表面的润湿性。实验数据显示,该设计使钠金属与电解质的接触阻抗降低70%以上,电流传导效率大幅提升。
2. 抑制枝晶:双功能钠化碳充当“离子泵”
NCC层内部通过碳材料储能特性形成钠化碳复合结构。这类钠化碳不仅具备高离子扩散系数(达10⁻¹² m²/s量级),还展现出卓越的导电性(电导率>10³ S/m)。在电化学反应中,其独特的三维孔道网络如同高效的“离子泵”,主动引导钠离子均匀沉积,从根源抑制枝晶生成。循环测试表明,该结构下钠沉积形貌平滑致密,无尖锐枝晶形成。
3. 减负降压:超薄钠负极降低体积膨胀
传统钠箔因厚度大、机械强度低,循环过程中易因体积变化剧烈而粉化失效。团队将钠负极厚度缩减至10μm以下,并依托多孔碳骨架的支撑作用,大幅降低负极在充放电过程中的机械应力,循环稳定性显著增强。
4. 高N/P比优化:解锁高能量密度潜能
通过精准调控钠负极与正极的容量匹配,团队成功将电池N/P比降至1.05(传统体系N/P比≥2),突破了钠金属用量瓶颈。研究数据显示,即便在高面载量正极(17.3mg/cm² Na₃V₂(PO₄)₃)条件下,电池仍能保持97%的100次循环容量保持率,能量密度媲美商用锂电池。
性能突破:数据验证的全球领先地位
在对称电池测试中,该结构展现出惊人的循环寿命——以0.2mA/cm²电流密度运行时,可稳定循环 6000小时(约合7.5个月),且未出现明显电压极化。更令人振奋的是,搭载磷酸钒钠(Na₃V₂(PO₄)₃)正极的固态钠金属电池,在10C倍率(充电仅需6分钟)下循环5100次后,容量保持率高达 90.2%,大幅超越现有产业化锂电水平(磷酸铁锂电芯循环寿命通常在3000~5000次)。
此外,团队通过原位显微观测发现,钠负极表面形成稳定的自修复SEI(固体电解质界面)层,进一步提升了电池的抗滥用性能。这意味着即使在极端条件下(过充、短路),仍能保障安全性,为未来大规模储能应用铺设道路。
产业启示:成本革命与储能生态重构
此项研究的意义远不止于实验室指标提升,更蕴含着推动钠电产业化的现实价值:
- 资源降本效应:超薄钠负极减少了金属损耗,叠加强化界面设计带来的高首效,使得钠电制造成本直逼铅酸电池,却拥有百倍以上的能量密度优势;
- 场景适配性广:凭借快充(10分钟内充满)与长循环寿命特性,有望应用于低速电动车、电网级储能甚至便携式储能设备;
- 技术迁移潜力:三维多孔碳支撑框架的核心思想可扩展至锂、钾等其他碱金属电池体系,形成跨代际储能技术矩阵。
值得注意的是,该成果已刊登于能源领域顶刊《Advanced Energy Materials》,被审稿人评价为“为钠金属电池从理论走向实用提供了清晰的工程蓝图”。
未来展望:规模化生产的最后一公里
尽管成果斐然,产业化之路仍存挑战。目前,金属有机框架前驱体的合成成本较高,规模化制备三维多孔碳的成本优化成为关键。团队透露,下一阶段将探索生物质基碳材料的替代方案,目标将碳支撑层成本降至现有锂电隔膜材料的水平。
与此同时,固态电解质的离子电导率(当前体系约10⁻³ S/cm)仍需进一步提升,以适配更高倍率的快充需求。值得期待的是,随着干法电极、固态电解质界面工程等技术的协同进步,固态钠电池的全链条成本有望在未来五年内下降60%以上,真正叩开大规模商用的大门。
结语
从润湿性改良到枝晶抑制,从界面调控到全电池性能突破,温兆银团队的研究完美诠释了中国科学家在新能源赛道的创新实力。固态钠电池的这一里程碑式进展,不仅为中国抢占下一代储能技术高地赢得先机,更以实际行动回应了全球碳中和背景下的能源转型需求。当枝晶不再成为桎梏,钠电的星辰大海已触手可及。