北京航空航天大学王华最新Nature子刊丨反向脉冲充电策略重新激活死钠实现长寿命无负极钠电池！

     惰性死碱金属，即由于金属不均匀沉积/剥离而导致与电极失去电接触的金属，是阻碍碱金属电池可逆循环性能的关键问题之一。死碱金属持续累积，一方面直接损耗体系内有限活性金属储量，造成活性物质不可逆流失；另一方面大幅加剧电极界面阻抗攀升，双重负面效应共同恶化电池长循环稳定性与大倍率充放电能力。因此，解决惰性死碱金属问题，特别是在无负极电池体系中，对于提高碱金属电池的电化学性能至关重要。

      在此，本研究通过反向脉冲大电流充电策略首次实现了死钠的复活。具体来说，基于介电泳效应，在该充电协议下，死钠会迁移至负极侧并被重新激活。通过该策略，借助死钠复活、钠沉积形貌均匀化以及缓解浓差极化共同提升了无负极钠电池的循环和倍率性能。作为概念验证，与广泛使用的恒流充电协议相比，该策略使Al||NFPP无负极钠电在1 C下的循环寿命延长了一倍。此外，这种充电策略使安时级的Al||NFPP无负极钠电在2 C下实现了前所未有的容量保持率：830次循环后80.0%，1000次循环后74.6%。180 Wh/kg的3.5 Ah Al||NFPP无负极钠电在1 C下展现出长寿命，表明该策略在实际应用中具有巨大潜力。这种死碱金属复活策略可以轻松扩展到其他碱金属电池，为实用化、高性能的碱金属电池提供了一条可行的途径。

相关成果以“ Reactivating dead sodium for durable and high-rate anode-free sodium batteries ”为题发表在国际期刊Nature Communications上。论文的通讯作者是北航王华教授，王维豪和王佳伟为论文第一作者。

图 1. CCC策略与RPIC策略的示意图。

图2. Al||NFPP无负极扣式电池的电化学性能。a. 在CCC和RPIC协议下Al||NFPP无负极扣式电池的循环性能。b. 在CCC和RPIC协议下Al||NFPP无负极扣式电池的库仑效率。c、d. 在RPIC（c）和CCC（d）协议下Al||NFPP无负极扣式电池的电压曲线。插图：分别为RPIC（c）和CCC（d）充电协议的局部细节。e. 在CCC和RPIC协议下不同倍率循环的统计图。

图3. 通过反向脉冲穿插充电实现死钠的复活。a. 通过原位光学电池观察到的死钠复活。b-d. 有限元软件模拟的死钠的运动。电场线、死钠和电极上的活性钠分别用虚线、彩色球体和白色半球表示，彩色等高线图显示电场密度分布。e. 介电泳下死钠在非均匀电场中运动的示意图。f. 死钠形成过程的Na||Al半电池的电压曲线。g. 死钠形成后在不同沉积方式下Na||Al半电池的电压曲线，其中分别采用CCC和RPIC协议在Al集流体上沉积1 mAh钠，然后在恒电流下剥离沉积的钠。插图：在Al集流体上沉积钠的局部曲线。

图4.CCC和RPIC协议下Al||NFPP电池中死钠积累的测定。a、b. 分别在CCC和RPIC协议下，Al||NFPP电池首次循环过程中Al集流体的原位XRD图谱。c. TGC测试示意图。d. 分别在CCC和RPIC协议下，不同循环圈数后累积的死钠量。e. 分别在CCC和RPIC协议下循环300圈后，Al||NFPP扣式电池Al集流体的SEM图像和EDS元素分布图。

图 5.  RPIC对极化和形貌的调控。 a. 在Na||Al半电池5% SOC下，CCC和RPIC过程中的Na⁺浓度分布。b. 电场中CCC和RPIC下的钠沉积形貌。c. 分别在CCC和RPIC协议下钠沉积的原位光学显微观察。d. 分别在CCC和RPIC协议下Na||Al半电池的时间分辨瞬态弛豫测量。e. 图5d中部分电压曲线的细节。f. 在CCC和RPIC协议下平均浓差极化随电流密度的变化关系。g. 分别在CCC和RPIC协议下Na||Al半电池的电压演变。电池失效时间对应电压转折点，即Sand时间。h. 在RPIC与CCC协议下，电池在剥离减速前的钠剥离容量之差。i. 在CCC和RPIC协议下，不同SOC时Al||NFPP无负极全电池的直流内阻。

图 6.  多种钠电在CCC和RPIC协议下的循环性能。a-c. 分别在CCC和RPIC协议下Al||NVP（a）、Al||NFM（b）无负极扣式电池以及HC||NFPP（c）扣式电池的循环性能和库仑效率。d. RPIC协议下Al||NFPP无负极软包电池的循环性能和库仑效率。插图：软包电池的局部充放电曲线。e、f. 分别在CCC（e）和RPIC（f）协议下循环后Al||NFPP软包电池的超声图像。g. RPIC协议下3.5 Ah Al||NFPP软包电池的循环性能和库仑效率。h. 部分已报道无负极钠电的循环性能总结。

总之，本文通过电池充电协议调控，首次在钠金属电池中实现了死钠复活，这由耐用且高倍率的无负极钠电池的性能所证明。我们采用了一种反向脉冲穿插充电（RPIC）协议，在该协议下，基于介电泳效应，死钠移回钠负极并最终被复活。通过原位/非原位形貌与结构表征、电化学测试以及理论模拟，验证了死钠的成功复活。由此，死钠复活、死钠积累减少、钠沉积形貌改善以及电极极化缓解，共同促成了无负极钠电池的高循环稳定性和倍率性能。具体而言，采用RPIC协议的Al||Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇（NFPP）无负极全电池在1 C下的循环寿命（80%容量保持率）翻倍，甚至可在高达5 C的倍率下循环。此外，RPIC使安时级Al||NFPP软包电池在2 C下实现了前所未有的高容量保持率：830次循环后80.0%，1000次循环后74.6%。而且，一个3.5 Ah的Al||NFPP软包电池在1 C下具有180 Wh/kg的高能量密度和长循环寿命，展现了该死钠复活策略在实际应用中的巨大潜力。鼓舞人心的是，RPIC协议对多种钠电池和无负极电池具有普适性，并可显著提升其循环性能。此外，与已报道的在锂离子电池静置或放电阶段发挥作用的协议相比，该策略具有更优越的实用性。总体而言，本文开发的死钠复活策略为高性能实用化碱金属电池开辟了一条新途径。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-72848-0