DOI: 10.1002/adfm.202301554

钠枝晶作为引发安全问题的首要因素，限制了钠金属电池的实际应用。根本原因是由于Na金属负极的高活性，会持续诱导界面副反应和Na枝晶生长，导致容量迅速下降，库伦效率低下，甚至内部短路。为了提高SMBs的安全性和稳定性，本研究结合界面化学和结构工程，报告了一种嵌入Sb纳米颗粒的柔性3D中空多孔碳纳米纤维框架（Sb@HPCNF）。3D Sb@HPCNF框架具有梯度亲钠性，可以在5mA/cm2下保持高度可逆的Na电镀-剥离循环超过550小时，并具有24mV的低过电位。此外，使用Na3V2（PO4）3正极和Sb@HPCNF-Na负极的全电池显示出令人印象深刻的长期循环稳定性和优异的高倍率性能。这项研究为构建具有梯度亲钠性的功能化三维复合材料框架，以实现下一代高安全性和高能量的SMBs提供了新的见解。

图1.a）Sb@HPCNF制备示意图。b,c）Sb@HPCNF的SEM、d,e）TEM和f-j）元素映射图像。k）Sb@HPCNF的XRD图谱，l）高分辨率Sb3d-O1s XPS光谱，以及m）N1s XPS光谱

图2.半电池的电化学性能。a）0.2mA/cm2时不同基底上的成核过电位。在b）0.5mA/cm2和1mAh/cm2、c）1mA/cm2和1mAh/cm2以及d）5mA/cm2和5mAh/cm2条件下，不同基底上Na电镀-剥离的库仑效率。在e）0.5mA/cm2和1mAh/cm2以及f）1mA/cm2和1mAh/cm2条件下，Sb@HPCNF基底上Na电镀-剥离的电压-容量曲线。在g）1mA/cm2和1mAh/cm2以及h）5mA/cm2和5mAh/cm2条件下，Sb@HPCNF基底上Na电镀-剥离的电压-时间曲线。

图3.在5mA/cm2和5mAh/cm2下产生库伦效率后，a,b）Sb@HPCNF、c,d）NCNFs、e,f）Al和g,h）Cu基底的SEM图像。

图4.使用Sb@HPCNF-Na、NCNFs-Na和裸Na电极的对称电池在a）2mA/cm2和2mAh/cm2以及b）4mA/cm2和2mAh/cm2条件下的电压-时间曲线，c-e）4mA/cm2时不同时间段的局部放大。f）使用Sb@HPCNF-Na、NCNFs-Na和裸Na电极的对称电池在5mA/cm2和5mAh/cm2条件下的电压-时间曲线。g）使用Sb@HPCNF-Na的对称电池在10mA/cm2和5mAh/cm2条件下的电压-时间曲线。h）不同电流密度和5mAh/cm2下的倍率性能。

图5.当Na电镀容量为a,f,k）2mAh/cm2、b,g,l）4mAh/cm2和c,h,m）8mAh/cm2时，Sb@HPCNF基底在0.5mA/cm2下的非原位SEM图像。然后在0.5mA/cm2下进行Na剥离，Na剥离容量为d,i,n）4mAh/cm2和e,j,o）8mAh/cm2。p）Sb@HPCNF、q）NCNFs和r）裸Na基底上的Na电镀-剥离行为。

图6.0.5mA/cm2时，在a）裸Na、b）NCNFs和c）Sb@HPCNF基底上进行Na电镀的原位光学显示。d）裸金属Na、e）NCNFs和f）Sb@HPCNF基底表面电场分布的多物理模拟。

图7.不同基底上Na电镀的DFT计算。Na原子与a）NCNFs、b）Sb@HPCNF和c）Na3Sb之间的结合能。d）NCNFs、e）Sb@HPCNF和f）Na3Sb上Na原子的差分电荷密度图。青色和黄色区域分别表示电子的耗尽和积聚。等值面水平为3.18861×10-5 e bohr-3。

图8.a）Sb@HPCNF-Na||Na3V2（PO4）3的全电池配置。b）全电池在500mA/g下的循环性能。c）含Sb@HPCNF-Na负极的全电池在500mA/g下进行不同循环的充放电曲线。d）不同电流密度下全电池的倍率性能。e）含Sb@HPCNF-Na负极的全电池在不同电流密度下的充放电曲线。f）在循环之前和g）在1000次循环之后，全电池的奈奎斯特图。