В настоящее время на рынке наблюдается всё более острая потребность в передовых системах хранения энергии, обладающих высокой энергетической плотностью и повышенной безопасностью. Несмотря на широкое распространение литий‑ионных аккумуляторов (LIB), их применение в электромобилях, интеллектуальных сетях и крупномасштабных станциях накопления энергии ограничено ограниченными запасами лития и его неравномерным географическим распределением. В качестве перспективной альтернативы LIB натрий‑ионные аккумуляторы (SIB) привлекают всё большее внимание благодаря изобилию натрия, низкой стоимости и сходству электрохимических свойств с литием.

Однако в современных практических применениях анодные материалы для натрий‑ионных аккумуляторов, такие как твёрдый углерод, по‑прежнему страдают низкой удельной энергетической плотностью и недостаточной кинетикой транспорта Na⁺. Металлический натрий, обладающий высокой теоретической удельной ёмкостью (1166 мА·ч/г) и низким окислительно‑восстановительным потенциалом (−2,71 В относительно стандартного водородного электрода), считается идеальным материалом для анода натрий‑металлических батарей (SMB). Однако повторяющееся разрушение и регенерация слоя твёрдого электролитического интерфейса (SEI), приводящие к постоянному расходу электролита, а также неравномерное осаждение натрия во время циклирования, вызывающее рост дендритов, короткие замыкания и даже угрозу безопасности, существенно тормозят коммерциализацию натрий‑металлических батарей.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа Сямэньского университета провела углублённое исследование с использованием технологии in situ‑ТЭМ компании Зэюй. Им удалось синтезировать полые мезопористые углеродные нанолисты, на которых были размещены наночастицы SnO2 размером менее 10 нм (SnO2@HMCNS), используемые в качестве матрицы‑хоста для анода на основе металлического натрия; это позволило решить проблемы роста дендритов натрия и замедленной ионной проводимости. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials под названием «Синергетический эффект мезопористой углеродной матрицы с натриефильными наночастицами для стабильных анодов на основе металлического натрия»; ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1002/adfm.202502032

В данной работе основное внимание уделено разработке и оптимизации свойств конструкции, в которой сочетаются синергетический эффект мезопористой углеродной матрицы и наночастиц, обладающих аффинностью к натрию, — такой подход направлен на стабилизацию анода на основе металлического натрия. Исследовательская группа путём химической модификации и структурного дизайна успешно синтезировала полые мезопористые углеродные нанолисты, на которых фиксированы наночастицы SnO2 размером менее 10 нм (SnO2@HMCNS), используя их в качестве матрицы‑носителя для анода из металлического натрия. Эта концепция не только решает проблему роста дендритов натрия, но и существенно повышает эффективность ионного транспорта. Наночастицы SnO2 выступают в роли аффинных к натрию центров, направляя равномерное осаждение металла, тогда как открытые мезопористые каналы облегчают ионный транспорт и надёжно стабилизируют зародыши, что снижает перепад потенциалов при нуклеации и обеспечивает длительное бездендритное осаждение натрия.

В ходе эксперимента исследовательская группа провела всестороннюю характеристику морфологии, кристаллической структуры и химического состава материала SnO2@HMCNS, подтвердив его выдающиеся эксплуатационные свойства. Наночастицы SnO2 распределены по поверхности углеродных нанолистов и встроены в мезопористые каналы; такая структура не только предотвращает агрегацию частиц SnO2, но и ограничивает их объёмные изменения во время процессов заряда–разряда, что продлевает циклический ресурс. Кроме того, мезопористые каналы существенно увеличивают удельную поверхность материала, обеспечивая более быстрые пути поверхностной диффузии Na+. Когда мезопористые каналы заполняются металлическим натрием, образующаяся новая граница раздела Na/C дополнительно ускоряет интерфейсную диффузию, повышая таким образом кинетические характеристики переноса.

Результаты электрохимических испытаний показали, что электрод SnO2@HMCNS демонстрирует исключительную циклическую стабильность при высокой удельной ёмкости: при плотности тока 4 мА см−2 и ёмкости 2 мАч см−2 он сохраняет свою работоспособность в течение примерно 1800 часов, при этом средний кулоновский КПД достигает 99,8%. Сравнительные эксперименты показали, что материалы, основанные лишь на углеродной матрице или наночастицах SnO2, не способны обеспечить подобную долговременную стабильность. Это подчёркивает синергетическое взаимодействие между мезопористым углеродным каркасом и натрий‑фаворитными зародышами: оно одновременно создаёт эффективные пути транспорта Na+ и обеспечивает стабильные узлы закрепления для этих зародышей.

В заключение исследовательская группа применила SnO2@HMCNS в тестах на полном элементе, собрав с катодом Na3V2(PO4)3 (NVP) натрий‑металлический аккумулятор без анода, что дополнительно подтвердило его потенциал для практического применения. При плотности тока 0,1 А·г−1 после 200 циклов батарея сохраняет около 80% своей первоначальной емкости, а кулоновский КПД достигает 98,1%. Такие выдающиеся характеристики обусловлены уникальной конструкцией SnO2@HMCNS: она не только устраняет проблему образования дендритов натрия, но и существенно повышает долговременную циклическую стабильность и кинетические свойства натрий‑металлического анода. Настоящее исследование предлагает перспективную стратегию разработки высокоэффективных натрий‑металлических аккумуляторов и одновременно демонстрирует важность взаимодействия между натриефильными зародышами и пористым каркасом.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем изображении — продукты компании Zeyou Technology, использованные в данном исследовании: