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李维杰教授轻钠储能课题组在先进的高比能无负极钠金属电池方面连续取得重要进展，系列成果发表于国际知名期刊Nano Letters、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、ACS NANO、Energy Storage Materials上。
我院2023届硕士生亓玉菊以第一作者在国际知名期刊《Nano Letters》发表题为“Magneto-Electric Coupling Effects Enable Structurally and Electrochemically Stable Interface for Long-Lasting Anode-Free Sodium Metal Batteries”的研究论文，通讯作者为李维杰教授。该工作提出了一种基于磁电耦合效应的界面稳定性调控策略。通过共沉淀结合高温退火方法，在碳纳米管网络上构建了FeCoNiCuZn多组分合金复合集流体。研究发现，Zn基合金相能够降低钠成核势垒并提高界面亲钠性，Fe/Co/Ni铁磁组分则可在界面处形成内建磁场，通过洛伦兹力调节Na⁺迁移路径与离子通量，从而实现更加均匀稳定的钠沉积。同时，CNT网络与Cu组分进一步提高了界面的导电性与机械稳定性，缓解了循环过程中的体积应变问题。实验结果表明，优化后的MA-Zn0.6集流体能够形成致密且均匀的无机富集SEI膜，并在长期循环过程中保持良好的结构完整性。该电极在对称电池中实现了超过3500小时的稳定钠沉积/剥离，在无负极全电池中于5 C倍率下循环200圈后容量保持率仍达60%。本研究为通过界面机械与电化学双重稳定性设计实现长寿命无负极钠金属电池提供了新思路。
原文链接：//pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6c00987
图1 裸集流体、亲钠材料以及MA-Zn0.6对钠沉积沉积形态及界面的影响
我院2022届博士生胡泽伟以第一作者在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》发表题为“Current Progress of Anode-free Rechargeable Sodium Metal Batteries: Origin, Challenges, Strategies and Perspectives”的学术论文，通讯作者为李维杰教授。论文对无负极钠金属电池进行全面而翔实的分析，内容包括其背景、起源、机理、优势、挑战、延长循环寿命的各种策略和前景。首先，总结了传统钠金属电池的内在问题，即安全隐患和制造难度，这是推动无负极钠金属电池诞生的背景。随后，讨论了无负极钠金属电池的机理、构造要求、优势和挑战。此外，在调研大量文献的基础上，从集流体、电解质和测试方法等方面总结了提高无负极钠金属电池性能的策略。最后，简要讨论了我们对这一新兴领域的总结和展望。
原文链接：//doi.org/10.1002/adfm.202313823
图2 无负极钠金属电池的改性策略
我院2022届博士生胡泽伟以第一作者在国际知名期刊《ACS NANO》发表题为“In Situ Integration of Rapid Ion-Diffusion Interlayers on Cu Current Collectors toward Ultrafast Anode-Free Sodium Metal Batteries”的学术论文，通讯作者为李维杰教授。该文提出在铜箔上原位构建一层钠离子快速扩散的普鲁士蓝类似物（PBA）中间层，作为高倍率无负极钠金属电池（AFSMBs）的负极集流体。通过多种实验表征与理论计算分析证实，PBA层具有良好的亲钠性和优异的钠离子传输能力，能够实现钠金属的均匀沉积与剥离。此外，由于PBA对电解液中阴离子具有较强的结合能力，在循环后可在PBA@Cu集流体表面形成富含无机NaF组分的SEI。在富含无机组分SEI的辅助下，高电流密度下的钠沉积/剥离行为得到了显著改善。这些特性为集流体中间层的合理设计提供了新思路。
原文链接：//doi.org/10.1021/acsnano.5c05043
图3 Cu和PBA@Cu基底在AFSMBs中的作用机理示意图
我院2022届博士生胡泽伟以第一作者在国际知名期刊《Energy & Environmental Science》发表题为“Enhancing low-temperature durability and sodium-ion transport of anode-free sodium metal batteries through utilization of a solvent adsorption separator”的学术论文，通讯作者为李维杰教授。该文针对无负极钠金属电池（AFSMBs）在低温条件下循环稳定性和寿命受限的瓶颈问题，提出了一种具有钠补偿功能的溶剂吸附隔膜（SAS-N）策略，用于提升无负极钠金属电池（AFSMBs）的低温性能。该隔膜不仅可作为钠源补偿循环过程中的不可逆损失，还可改善电解液润湿性，保证离子通量均匀并降低界面阻抗，从而有效抑制枝晶。同时，SAS-N能调控电解液溶剂化结构，促进CIP（接触离子对）的形成，诱导构建富含无机组分的稳定SEI，提升界面稳定性与钠离子迁移动力学。依靠离子通量调控、界面稳定化与溶剂化结构优化的协同作用，组装的AFSMBs在25 ℃下循环600圈后容量保持率达95.06%，在-20 °C下循环1000圈后仍保持92.53%的高容量保持率。本研究展示了通过隔膜溶剂化作用调控来提升低温电化学性能的有效途径，为下一代AFSMBs的发展提供了新思路。
原文链接：//doi.org/10.1039/D5EE03213J
图4 无负极钠金属电池的电化学性能
我院2022届博士生胡泽伟以第一作者在国际知名期刊《Energy Storage Materials》发表题为“Multicomponent Alloy–Engineered Interfaces for Magnetic Regulation of Sodium Deposition in Anode-Free Sodium Metal Batteries”的学术论文，通讯作者为李维杰教授。文章提出了一种多元金属合金复合材料调控界面沉积行为的新策略：将FeCoNiCuSn多元合金与碳纳米管复合材料（MA@CNT）涂覆于商用铝箔集流体，构建多功能界面层。该界面中，碳纳米管形成连续导电网络，提供空间约束以抑制合金颗粒粉化；Sn作为亲钠元促进均匀成核，Fe/Co/Ni等磁性元素则在沉积过程中产生局部磁场，通过洛伦兹力调控Na⁺迁移路径，使离子分布更均匀、抑制尖端效应。多元合金结构还可缓解合金化过程中的体积膨胀，从而提升界面稳定性。实验与理论表明，该策略显著提高了钠沉积的可控性与循环稳定性，且对应的无负极钠金属电池展现出优异的倍率性能与长寿命表现。该研究为解决AFSMB界面失稳问题提供了新的思路，并为高能量密度钠金属电池的实际应用提供了重要参考。
原文链接：//doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104915
图5 电场与磁-电双场在无负极钠金属电池中的机制示意及性能对比
（一审：李维杰 二审：李卉淼 三审：刘彬）
