金属钠负极(SMA)具有成本低、资源丰富等优点，是下一代充电电池技术最受青睐的选择之一。然而，由于枝晶生长和形成不稳定的固体电解质界面导致的可逆性较差，严重阻碍了SMAs的实际应用。
有鉴于此，上海大学吴明红教授，Chao Wu报道了一种由具有精心设计的核壳结构的C@Sb纳米粒子(NPs)组成的新型成核缓冲层，用于控制金属钠的电化学均匀沉积。
文章要点
1）研究人员首先用间苯二酚甲醛(RF)树脂通过界面聚合对直径约200 nm的Fe3O4纳米粒子进行包覆。得到的RF@Fe3O4纳米粒子在Ar/H2气氛中通过退火和还原转化为C@Fe纳米粒子，随后与三氯化锑的置换反应产生所需的核壳C@Sb纳米颗粒。TEM图像显示了内部Sb芯的多孔结构。XRD图谱证实了C@Fe纳米颗粒成功转化为C@Sb纳米颗粒。此外，还制备了空心碳球(HCSs)作为对照，以验证内部Sb芯的重要性，为此，涂覆在铜箔上的HCSs被表示为HCS@Cu箔。
2）为了评价成核层在镀钠过程中的作用，研究人员在裸铜、HCS@Cu和C@Sb@Cu箔上进行了电流密度为1 mA cm-2的恒流电镀。采用HCS成核层后，裸铜箔的过电位(70.1 mV)降低到34.1 mV。而C@Sb@Cu箔的过电位低至4.3 mV，远低于上述两种材料的过电位。过电位的降低表明C@Sb可以作为种子在空间上控制钠的沉积。此外，C@Sb纳米颗粒的电压分布在0.55V处有一个钠化平台，表明在0V以上形成了NaxSb合金相。通常，与Cu和HCS相比，NaxSb合金与沉积的钠具有更低的结合能，从而提供更低的成核势垒。
3）多孔锑芯对金属钠具有很高的比表面积和很低的成核势垒，提供了丰富的初始成核位点。外部碳壳能够防止多孔的锑纳米颗粒在循环过程中结块，确保锑纳米颗粒的高效功能，从而实现长期耐久性。以C@Sb涂层铜箔(记为C@Sb@Cu箔)为电极的电池表现出前所未有的循环稳定性，在4 mAh cm-2和6 mAh cm-2的高沉积容量下，分别可电镀/剥离近6000 h和2600 h。
这种巧妙的合金基成核剂的结构设计为稳定具有目标性能的金属钠开辟了一条有前途的途径。
Guanyao Wang, et al, Core-Shell C@Sb Nanoparticles as a Nucleation
Layer for High-Performance Sodium Metal Anodes, Nano Lett., 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01257
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01257
