张治安(张治安简介)

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2024-07-03
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该文章提出了一种富NaF层包覆的微晶石墨作为金属钠负极材料，实现了高循环稳定性的金属钠负极。

张治安(张治安简介)

文章信息富NaF保护层的微晶石墨用于高稳定性的金属钠负极第一作者：谢杨洋刘聪茵通讯作者：张治安单位：中南大学研究背景钠基电池由于资源和成本优势，成为下一代电池体系的优先选择在各种电池负极材料中，金属钠由于其高比容量和低电势被认为是钠基电池的理想负极。

然而，金属钠负极仍存在的一些问题，包括不可控枝晶的生成、不稳定的固体电解质膜（SEI）以及巨大的体积变化等，阻碍了其实际应用对SEI膜成分调控及负极导电基底的设计被证明是对上述问题有效的解决方案本篇中，考虑到微晶石墨（MG）的各向同性，钠在各个方向上都能通过共嵌入作用实现均匀沉积，探索微晶石墨作为钠负极基底的可行性。

此外，在其表面构造富含NaF无机成分的包覆层，进一步实现高稳定性金属钠负极本文为未来的研究提供了方向，为金属钠负极的实际应用提供一种可行的解决方案文章简介基于此，来自中南大学的张治安教授，在Nano Research

上发表题为“NaF-rich protective layer on PTFE coating microcrystalline graphite for highly stable Na metal anodes”

的研究文章。该文章提出了一种富NaF层包覆的微晶石墨作为金属钠负极材料，实现了高循环稳定性的金属钠负极。

图1 不同基底钠循环示意图本文要点要点一：微晶石墨表面富NaF包覆层的构筑负极界面成分对金属钠负极性能产生重要影响，其中富含NaF无机成分的包覆层能够提高表面钠离子的传输效率，减少负极与电解液的副反应，同时抑制枝晶的产生，均匀钠沉积。

通过简单的液相混合和加热法，以PTFE为原料，在微晶石墨（MG）表面成功构筑了纳米厚度富含F的有机包覆层，优化并进一步制备了8P@MG材料应用于金属钠负极

图2 PTFE包覆前后的TEM图（a）MG, （b）4P@MG,（c）6P@MG，（d）8P@MG；（e）MG和P@MG的XRD图谱，（f）16-28°的XRD局部图谱（g-h）不同电极的库伦效率要点二：包覆层对钠沉积行为的影响。

富含F的PTFE包覆层在Na+嵌入时，与之反应生成NaF，作为理想的SEI成分，降低界面阻抗增加钠离子传输效率同时，PTFE作为柔韧性良好的有机物，能够缓冲体积效应，抑制枝晶形成如图3（a）和（b）所示，EIS测试结果显示，循环后的8P@MG电极具有更小的界面阻抗，体现出更稳定的界面特性。

如图3(c-f)所示，TEM和XPS结果表明包覆层的稳定存在和表面NaF成分的原位生成循环后的8P@MG表面也呈现更为平整的沉积形貌

图3 （a-b） MG和8P@MG半电池的EIS能奎斯特图；循环10圈后的：（c）MG （d）8P@MG TEM图，刻蚀后的（e）MG （f）8P@MG 的XPS图

图4 （a-d）MG和（e-h）8P@MG循环300圈后沉积1 mAh cm-2钠的表面形貌要点三：优异的电化学性能PTFE包覆后的微晶石墨负极，在半电池中表现出高的循环稳定性和库伦效率，1200圈的平均库伦效率高达99.88%。

同时，包覆层促进钠离子的传输和沉积，对称电池循环1800h后的极化电压仅有约20 mV8P@MG预沉积钠后与NVPF电极组装成的全电池也表现出更高的容量和循环稳定性即使是在无钠负极全电池中，100圈后库伦效率为98.37%（0.5C），证明了其在无钠负极全电池中的应用可能性。

图5 （a）0.5C下，全电池循环性能（1C=128 mAh g-1）。（b）0.5C下的MG全电池电压-容量曲线。（c）0.5C下的8P@MG的电压曲线-容量曲线。（d）倍率性能。

图6 （a）0.5C下，无钠8P@MG全电池循环性能（b）0.5C下MG全电池的电压-容量曲线（c）倍率性能（d）不同倍率的电压-容量曲线要点四：前瞻石墨及相关材料作为金属钠负极基底时，钠在其中的沉积溶解行为仍待更完善的研究。

此外，目前测试电池中存在的过量金属钠并不能完全反映负极改性效用，无钠负极的全电池将是一种更加真实的电化学性能评估体系本文验证了微晶石墨作为金属钠负极基底材料的可行性，在此基础上提出了一种有效的包覆改性方法，并成功应用于无钠负极的全电池中。

该工作为推进金属钠负极的实际应用提供了一种可行的策略文章链接NaF-rich protective layer on PTFE coating microcrystalline graphite for highly stable Na metal anodes

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4985-z.通讯作者简介张治安教授简介：中南大学教授，博士生导师研究领域为新能源材料与器件，主要涉及电化学储能材料与材料冶金。

承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家863计划、湖南省自然科学基金、深圳市基础研究等项目申请国家发明专利100余项，获得授权国家发明专利50余项在Advanced Materials, Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials，Small, Journal of Materials Chemistry A等

国际期刊上发表SCI论文150余篇，其中高被引论文10余篇出版译著《锂二次电池原理及应用》和《超级电容器：材料、系统及应用》两部，撰写《Carbon Nanomaterials Sourcebook, Volume II》章节。

培养研究生20余名，获得湖南省优秀硕士学位论文6人获得中南大学本科教学质量优秀奖和中南大学研究生教学质量优秀奖第一作者简介谢杨洋，2018级博士，2022年于中南大学获博士学位，博士研究方向：电极材料研究和应用。

刘聪茵，中南大学2020级材料与化工专业硕士研究生，研究方向：金属钠负极。