第一作者：吕佳泽

通讯作者：曹晏^*

通讯单位：中国科学技术大学、中国科学院广州能源研究所

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202508896

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金属钠电池（SMBs）具有较高的理论容量和成本效益，被认为是开发高能量密度金属电池的一个有前途的候选者。然而，枝晶的形成和不稳定的固体电解质界（SEI）等挑战阻碍了循环稳定性。该研究通过将酸蚀蒙脱土（MMT）与氮/硫共掺的碳网络协同作用，构建了一种非均相复合材料C-MMT。该设计利用无机MMT的刚性层状骨架为钠离子快速传输提供低阻抗扩散通道，氮/硫掺杂碳提供丰富的亲钠成核位点，促进均匀的界面电场分布和缓冲体积变化。C-MMT@Na对称电池循环寿命超过3000 h，Na₃V₂(PO₄)₃全电池在5 C电流下循环超过2000次，表现出显著的倍率性能。本研究与计算模拟相结合，提出了一种有效的策略，利用层状MMT和掺杂碳之间的协同效应，为钠金属负极的发展提供了新的见解。

背景介绍

随着锂离子电池面临锂资源稀缺及产能瓶颈，钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉而被视为大规模储能的理想替代方案。然而，钠金属负极虽然具有高理论比容量和低氧化还原电位，但在循环过程中容易形成枝晶，并生成不稳定、离子导电性差的固态电解质界面（SEI），从而降低电池安全性、库伦效率及循环寿命。因此，构建兼具快速离子传输、均匀钠沉积调控能力和高机械稳定性的人工界面层，已成为实现高能量密度、长寿命钠金属电池的关键研究方向。

研究出发点

1）以酸蚀蒙脱石为刚性骨架，构建低阻抗层间Na⁺快速传输通道。    

2）原位碳化N/S的亚甲基蓝，形成亲钠、导电的杂原子掺杂碳网。

3）诱导生成NaF, Na₂CO₃等无机物主导的SEI，提升循环寿命与库伦效率。

4）DFT计算表明该异质结构能够兼顾充分的成核位点与高效离子扩散。

图文解析

本研究设计了具有层状通道和杂原子掺杂碳骨架的复合材料C-MMT。首先通过酸蚀和Na⁺插层处理，使蒙脱土能够吸附亚甲基蓝，随后碳化形成N/S共掺杂的导电碳层，均匀包覆在蒙脱石片层表面。阳离子交换有效缩小了层间距，并在碳骨架中引入丰富亲钠位点，构建了刚柔结合的异质结构。

图1.C-MMT的制备示意图及结构表征

C-MMT@Na显示出最小接触角，表明电解液润湿性显著改善。其迁移数（t_Na+）显著提高至0.60，同时表现出更高电流密度，并伴随去溶剂化活化能降低。原位光学显微观察显示，Na沉积过程更平整且无枝晶生成。Comsol表明界面电场分布均匀，Na⁺通量稳定，从而实现快速且均匀的钠沉积。

图2. 加速动力学及脱溶剂化过程

C-MMT@Na在稳定钠沉积和抑制枝晶生长方面表现出优异性能，有效延长了对称电池的循环寿命，提升了成核稳定性，并诱导形成致密、无枝晶的沉积结构。

图3. C-MMT@Na的长循环与沉积形貌

XPS溅射结果显示，C-MMT@Na通过极性功能团调控，实现了钠负极界面成膜行为的显著优化。与Bare Na主要形成有机物主导的SEI不同，C-MMT@Na诱导形成了以NaF、Na₂CO₃等无机物为主的富集SEI。这种无机物富集的SEI增强了界面机械强度，使电池在多次充放电循环中仍能保持高效性能和长寿命。

图4. 循环后的SEI表征

采用DFT计算Na⁺的扩散途径和迁移能垒，以进一步评估C-MMT中成核与离子传输的协同作用。结果显示，Na⁺在MMT层间的迁移能垒最低，表明该异质结构能够兼顾充分的成核位点与高效离子扩散。C-MMT通过将MB-C的高亲钠性与MMT的快速离子通道结合，实现了稳定的Na⁺成核和高效迁移。

图5. C-MMT中扩散机制的DFT计算

在全电池体系中，C-MMT负极展现出卓越的循环稳定性和倍率性能。在5 C高倍率下循环2000次后，容量仍保持83.7%，钠离子扩散系数较Bare Na提高约一个数量级。C-MMT的结构设计在实际电池中同时实现了高能量密度和长循环寿命，与其他材料相比具有显著优势。

图6.Na||NVP全电池的电化学性能

总结与展望

本研究通过蒙脱石通道与N/S共掺杂碳网络的协同设计，构筑出具有快速离子传输能力和丰富亲钠位点的C-MMT@Na结构。该结构实现了Na⁺的高效迁移与均匀沉积，同时诱导形成富含无机组分的SEI，显著提升了钠金属电池的循环稳定性和倍率性能。DFT计算结果进一步揭示了其扩散机制，表明C-MMT将MB-C的高亲钠性与MMT的快速离子通道相结合，实现了Na⁺的高效迁移和均匀成核。该设计策略可推广至其他层状材料与碳材料结合体系，在多种金属电池中具有广阔应用前景。

课题组介绍

曹晏团队长期从事化学反应/分离/原位分析、化石和可再生能源协同转化/碳减排/储能、共伴生低品位矿和矿冶固废资源化利用/生态环保等相关科研工作，交叉融合工程热物理、反应工程、流态化工程、热及电催化、材料及分析化学等基础学科。

原文信息

Jiaze Lv, Zhen Tang, Han Sun, Qiman Zhang, Mingwei Ouyang, Yueli Zhong, and Yan Cao*, Synergistic Montmorillonite Channels and Heteroatom-Doped Carbon Networks Enabling Fast Ion Transport and Uniform Deposition for Stable Sodium Metal Anodes. Small 2025, e08896.