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  鈉金屬電池因其高自然豐度、低成本和高能量密度備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)電解液中非均勻的Na?通量與緩慢去溶劑化動(dòng)力學(xué)往往導(dǎo)致枝晶生長和副反應(yīng)，嚴(yán)重制約其實(shí)際應(yīng)用。鈉金屬負(fù)極表面的雙電層區(qū)域是離子傳輸和去溶劑化過程發(fā)生的重要區(qū)域，因此可以通過調(diào)控雙電層能實(shí)現(xiàn)枝晶生長的抑制。盡管電解液添加劑是一種可擴(kuò)展的穩(wěn)定化策略，但傳統(tǒng)添加劑如氟代碳酸乙烯酯（FEC）存在成本高、碳排放大及毒性等問題。相比之下，來源廣泛、綠色可再生的生物質(zhì)基添加劑具有來源廣泛、低成本且碳足跡更小等優(yōu)勢，但相關(guān)研究目前較為有限。

  近期，武漢大學(xué)陳朝吉教授與湖北工業(yè)大學(xué)胡培副教授團(tuán)隊(duì)合作，針對(duì)上述問題，提出一種醋酸纖維素（CLA）生物質(zhì)大分子添加劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙電層的有效調(diào)控，顯著提升鈉金屬電池的穩(wěn)定性與壽命（圖1）。CLA大分子在雙電層中優(yōu)先吸附于鈉金屬負(fù)極表面，取代活潑溶劑化結(jié)構(gòu)中的溶劑分子，抑制界面副反應(yīng)。同時(shí)，其豐富的醋酸根與Na?發(fā)生競爭性配位，均勻化離子分布并加速去溶劑化動(dòng)力學(xué)（圖2）。該協(xié)同效應(yīng)有效降低了成核過電位，將Na沉積轉(zhuǎn)變?yōu)槿S瞬時(shí)成核模式，實(shí)現(xiàn)枝晶生長與界面副反應(yīng)的抑制。基于此電解液的Na||Na對(duì)稱電池在0.5 mA cm?2電流密度下穩(wěn)定循環(huán)超過7000小時(shí)（圖3），Na||Al電池在2 mA cm?2電流密度下循環(huán)1200圈后平均庫侖效率高達(dá)99.97%（圖4）。同時(shí)，在NVP||Na電池中實(shí)現(xiàn)了2000圈高倍率（5C）循環(huán)后仍保持約80.4%的容量，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電解液及多數(shù)報(bào)道的添加劑體系（圖5）。綜上所述，該工作展示了CLA作為多功能電解液添加劑在可持續(xù)、安全、高效的鈉金屬電池中的巨大潛力，不僅為鈉金屬負(fù)極的穩(wěn)定性難題提供了新思路，也為基于生物質(zhì)資源的電解液分子工程開辟了新的方向。

圖1. CLA添加劑的示意圖設(shè)計(jì)和作用機(jī)理。（a）CLA制備的示意圖。（b）傳統(tǒng)有機(jī)添加劑（以FEC為例）和生物質(zhì)添加劑的比較。鈉離子配位環(huán)境和沉積行為在（c）GDE和（d）CGDE中的示意圖。

圖2. Na⁺溶劑化化學(xué)與雙電層結(jié)構(gòu)的理論模擬與表征。（a）GDE和CGDE的Raman圖譜和（b）自由G2和溶劑化G2的比例。（c）GDE和CGDE的²³Na NMR圖譜。（d）GDE和（e）CGDE中分子動(dòng)力學(xué)模擬快照以及相應(yīng)的徑向分布函數(shù)和配位數(shù)。（f）CLA分子的ESP分布。（g）CLA-Na⁺、G2-Na⁺和DOL-Na⁺的結(jié)合能。（h）優(yōu)化的溶劑化結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的去溶劑化劑能。（i）兩種電解液的活化能。（j）CLA、G2和DOL與Na金屬負(fù)極之間的吸附能。（k）GDE和CGDE的非法拉第電容-電位曲線。

圖3. 鈉金屬負(fù)極的長期循環(huán)穩(wěn)定性。（a）在0.5mA/cm2、0.5mAh/cm2下Na||Na對(duì)稱電池的長期循環(huán)（插圖：390-400和6990-7000小時(shí)的放大圖）以及（b）在2mA/cm2、2mAh/cm2下的循環(huán)（插圖：494-500和2494-2500小時(shí)的放大圖）。（c）本工作與先前報(bào)道的Na||Na對(duì)稱電池性能對(duì)比。（d）循環(huán)50圈后GDE和CGDE中Na負(fù)極的SEM圖像和光學(xué)數(shù)碼照片（插圖）。（e）GDE和CGDE從0.5到5mA/cm2電流密度下的極化電壓變化曲線。（f）GDE和CGDE從0.5到5mA/cm2電流密度下計(jì)算出的交換電流密度。（g）GDE和CGDE的Tafel曲線。（h）GDE和CGDE（在-150mV vs Na⁺/Na下獲得）的Na||Na對(duì)稱電池的i2/i?2與t/t?的無量綱曲線，與理論成核模型進(jìn)行比較。原位光學(xué)顯微鏡圖像顯示在（i）GDE和（j）CGDE中2mA/cm2下Na負(fù)極上的鈉沉積過程。

圖4. 電解質(zhì)中Na⁺沉積行為。在不同沉積時(shí)間下電極表面形貌（a）GDE、（b）CGDE的SEM圖像。（c）在2mA/cm2下不同電解液的成核過電位曲線。（d）在2mA/cm2和2mAh/cm2下Na||Al電池的庫侖效率。GDE中循環(huán)電極的（e）F 1s、（f）O 1s和（g）C 1s圖譜。CGDE中循環(huán)電極的（h）F 1s、（i）O 1s和（j）C 1s圖譜。XPS圖譜顯示在列上，每個(gè)高度對(duì)應(yīng)于深度剖析結(jié)果。

圖5.NVP||Na電池的電化學(xué)性能。（a）在5C倍率下NVP||Na電池的循環(huán)性能。（b）CGDE在5C倍率下的電壓-比容量曲線。（c）已報(bào)道文獻(xiàn)與本工作中的NVP||Na電池性能比較。（d）不同循環(huán)后NVP||Na電池的電阻變化。（e）在0.2C倍率下高載量NVP||Na電池的長期循環(huán)性能。使用GDE（f）和CGDE（g）電解液的軟包電池在不同循環(huán)后的超聲圖像。

  相關(guān)研究成果以“Regulating the Electric Double Layer via Cellulose Acetate Enabling Stable and Long-Lifetime Sodium Metal Batteries”為題發(fā)表在《ACS Nano》（10.1021/acsnano.5c12283）期刊上。該工作由湖北工業(yè)大學(xué)和武漢大學(xué)合作完成，湖北工業(yè)大學(xué)青年教師周曉燕為論文第一作者，湖北工業(yè)大學(xué)胡培副教授和武漢大學(xué)陳朝吉教授為論文共同通訊作者。該研究得到湖北省自然科學(xué)基金（2025AFB048）、湖北工業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金（XJ2023008701）、湖北工業(yè)大學(xué)綠色工業(yè)引領(lǐng)計(jì)劃（XJKY20240129）、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（2025AFD096）和湖北省教育廳科研項(xiàng)目（D20231403）等基金的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12283