北航/浙工大Nature Synthesis：可扩展超薄钠金属阳极！

米测MeLab

2025-12-15

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

钠离子电池在学术界和工业界都受到了广泛关注。钠金属（Na）因其高理论比容量（约1,166 mAh g⁻¹）和低氧化还原电位（相对于标准氢电极电位为−2.71 V），在高能量密度钠金属电池应用中展现出巨大的潜力。

关键问题

目前，钠金属电池的研究主要存在以下问题：

1、缺乏可扩展的大面积超薄钠金属箔

目前缺乏大面积、超薄的钠金属箔，严重阻碍了高能量密度钠离子电池的基础研究和商业化进程。目前大规模和稳定的钠阳极仍然难以获得，落后于正极材料和电解液配方的进步。实验室制备的钠阳极厚度通常大于400 μm，导致钠过量严重，并会严重损害电池的能量密度。

2、钠金属固有的机械加工性能差和稳定性低

制备超薄钠箔受到三个关键问题的阻碍：高反应活性需要隔离环境空气和湿气；微弱的金属键导致其机械性能差，容易在变形和转移过程中撕裂；及钠金属粘性导致其在加工过程中与摩擦副表面紧密粘附，增加摩擦阻力，引发粘着磨损。

新思路

有鉴于此，北京航空航天大学郭林院士、王华教授、浙江工业大学佴建威教授等人通过结合界面润滑和功能化改性的卷对卷压延工艺，成功制备了米级长度、超薄（≤50 μm）且机械增强的钠金属箔。通过开发自润滑聚二甲基硅氧烷作为多功能试剂，解决了金属钠加工性能差的问题，因为它在压延过程中形成了一个机械强度高的界面和表面润滑膜。此外，聚二甲基硅氧烷衍生的(Si–O)_n–Na界面可以引导Na⁺离子界面扩散，并形成一个坚固的固体电解质界面。因此，与裸钠阳极相比，大面积超薄钠箔表现出稳定的电极电位和剥离容量，以及更长的寿命。这种方法在低负/正极容量比（N/P比）为1.9的条件下，实现了安时级钠金属软包电池，能量密度达到180.2 Wh kg⁻¹。这种可扩展的超薄钠箔为钠离子电池的基础研究和高能量密度钠金属电池的潜在制造奠定了材料基础。

技术方案：

1、制备了超薄钠箔

通过PDMS润滑与表面功能化改性，在滚压压延中成功制备了大面积、抗撕裂、可抑制枝晶生长的超薄钠箔。 

2、分析了超薄p-Na箔的物理化学性质

研究发现，采用PDMS改性的超薄钠箔表面形成键合界面层，使其机械性能、耐氧化性显著提升。 

3、展示了p-Na阳极的电化学性能及钠金属全电池的电化学性能

结果表明，PDMS改性钠阳极形成坚固SEI，有效抑制了枝晶，提升电池寿命与能量密度，全电池性能优异。 

技术优势：

1、首次实现了钠金属箔的大规模制备

本文首次通过结合界面润滑和功能化改性的卷对卷压延工艺，成功实现了米级长度、超薄（≤50 μm）、机械增强的钠金属箔的大规模制备，克服了现有钠箔厚度过大且缺乏可扩展性的行业难题。

2、建立了高性能软包电池基准

利用这种可扩展的超薄钠箔，成功组装了安时级Na||NFM软包电池，并在低N/P 比（1.9）下实现了180.2 Wh kg⁻¹的高能量密度，为推进高能量密度钠金属电池的实际应用树立了新基准。

技术细节

超薄钠箔的制备

作者介绍了通过界面润滑和功能化改性策略，利用滚压压延法制备大面积、超薄、机械增强钠箔的方法。研究指出，超薄钠箔的制备面临金属钠高反应性、机械性能差易撕裂以及粘性大导致加工中粘着磨损三个关键挑战。为了应对这些问题，研究人员筛选了润滑剂，发现聚二甲基硅氧烷（PDMS）与其他润滑油（如矿物油和聚-α-烯烃）相比，具有低反应性，且其Si–O 键有利于离子传输。通过有限元模拟，证实了在压延过程中引入足够的PDMS 润滑剂，可以减少钠箔与聚乙烯（PE）膜之间的摩擦力，使钠箔自由拉伸，避免产生可能导致裂纹的应变或应力梯度。 PDMS 润滑使PE 基底的动态摩擦系数从0.254 降至0.168。原子层显微镜（AFM）分析进一步证实，PDMS 覆盖的钠金属表面粘附力（0.94 nN）显着低于裸钠，有效降低了滚压阻力。更重要的是，PDMS 分子在滚压过程中通过界面摩擦化学反应对p-Na 箔表面进行了功能化改性，形成的PDMS 衍生柔性界面层和富无机物内层SEI，能够增强机械强度并有效抑制钠枝晶生长。

图  界面稳定Na金属箔的设计与制备

超薄p-Na箔的物理化学性质

作者详细表征了制备的超薄p-Na箔的物理化学特性。最佳PDMS剂量确定为0.2 g m⁻²，制备的50 μmp-Na箔表面平整，具有光亮的金属光泽。X射线衍射（XRD）证实其主体组分为金属钠，并且由于压延过程中体心立方晶体在密堆积（110）面发生择优剪切滑移，观察到主导的(110)晶面。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和AFM-IR证实PDMS均匀吸附在钠箔表面，形成厚度约为600−680 nm的涂层。时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）三维重建揭示了PDMS分子通过Na–O–Si键嫁接到钠金属上，形成了底部富含Si (CH₃)₂ONa⁻的连接层。理论计算显示，这种梯度亲钠界面能够引导Na⁺离子扩散，有助于均匀的钠沉积。在机械性能方面，纳米压痕测试显示PDMS夹层使钠箔的表面硬度达到2.4 GPa，几乎是裸钠的八倍。50 μm p-Na的拉伸强度增强至3.03 MPa。此外，p-Na的表面粗糙度（6.2 nm）远低于裸钠（18.3 nm），且DMT模量从4.66 GPa显着提高到10.28 GPa。这些机械增强归因于界面处形成更强的Si–O–Na化学键和PDMS界面层对外部应力的均匀分布。同时，PDMS改性显着提高了钠箔的耐氧化性，在潮湿空气暴露3分钟后，p-Na的活性钠损失仅为纯钠的42%。

图  p-Na金属箔的形貌和成分

图  Na界面稳定性与SEI化学成分分析

p-Na阳极的电化学性能和SEI及钠金属全电池的电化学性能

作者评估了p-Na阳极的电化学性能和SEI机制，并展示了全电池的应用潜力。厚度为50 μm的p-Na 箔的平均剥离面容量为5.1 mAhcm⁻²，达到理论容量的91%。塔菲尔（Tafel）极化曲线显示，保护性PDMS 层将腐蚀电流密度从裸钠的5.07 mA cm⁻²降低到0.81 mA cm⁻²。在对称电池测试中，在3 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²的条件下，p-Na的寿命是电沉积钠（d-Na）的两倍，且表现出小而稳定的电压极化。循环后的扫描电子显微镜（SEM）图像显示p-Na 阳极形貌均匀致密，无枝晶。 XPS深度分析和冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）证实，PDMS 衍生SEI减轻了溶剂降解，形成了一个富含无机组分（如NaF、Na₂CO₃、Na₂O和Na₂SiO₃）的内层。这种SEI 具有出色的机械强度，DMT 模量高达37 GPa（d-Na SEI 为15 GPa），能有效抑制钠枝晶生长。在全电池应用中，将50 μmp-Na 箔与20 mg cm⁻² NFM 正极配对的扣式电池，在0.5 C 下稳定循环超过200 次，库仑效率高达99.7%。此外，组装了具有低N/P 比（∼1.9）的安时级多层Na∣∣NFM软包电池。当与高压D2电解液耦合时，该软包电池放电容量为1.4 Ah，能量密度高达180.2 Wh kg⁻¹。一个5.9 Ah的钠金属软包电池甚至实现了195.2 Wh kg⁻¹的能量密度。

图  SEI分析

图  钠金属软包电池的电化学性能

展望

本文通过创新的界面润滑和功能化改性策略，成功利用卷对卷压延技术制备了可扩展的米级长度、超薄(< 50 μ m)钠金属箔。所使用的自润滑剂PDMS不仅解决了钠金属加工性差的问题，还在界面形成了坚固的(Si-O)_n-Na衍生SEI，显着增强了阳极的机械强度和Na扩散能力。这一突破性材料使安时级钠金属软包电池得以实现，并在低N/P比1.9下达到了180.2 Wh kg"的高能量密度。这项工作为高能量密度钠金属电池的商业化进程奠定了重要的材料基础。

参考文献：

Tang, M., Dong, S., Yue, K. et al. Scalable ultrathin sodium metal anodes. Nat. Synth (2025).

 https://doi.org/10.1038/s44160-025-00934-0