"定向调控电化学界面溶剂分布实现无初始阳极钠金属电池的高效稳定循环"

本研究针对无初始阳极钠金属电池(Na metal batteries)在实际应用中面临的电解质稳定性难题，创新性地提出"选择性溶剂呈现"电解质设计策略。通过分子动力学模拟和电化学测试证实，将还原稳定的2-甲基四氢呋喃(2-MeTHF)富集于阳离子第一溶剂化鞘，同时使氧化稳定的四氢呋喃(THF)保持弱键合状态，实现了负极界面99.91%的库伦效率和正极77%的500循环容量保持率。该研究为金属电池电解质设计提供了新范式，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在能源存储领域，钠金属电池因其高理论容量和资源丰富性被视为锂离子电池的有力竞争者。然而，无初始阳极设计的钠金属电池面临严峻挑战：电解质需要在宽电压窗口和长时间尺度下保持双电极稳定性，而单一溶剂体系难以同时满足正负极的差异化需求。更棘手的是，溶剂分子在不同离子对构型（如AGG聚集态、CIP接触离子对和SSIP溶剂分离离子对）中的精确分布及其对电极界面的影响机制尚不明确，这严重制约了高能量密度金属电池的发展。

为破解这一难题，研究团队创新性地提出"选择性溶剂呈现"策略，通过调控THF和2-MeTHF混合溶剂在电化学界面的差异化分布，实现了"鱼与熊掌兼得"的效果。分子动力学模拟揭示，2-MeTHF优先富集于Na⁺的第一溶剂化鞘（占比54.1%），而THF则以游离态（61.3%）主导正极界面环境。这种精妙的分布使电解质在负极形成富含NaF/Na₃PO₄的稳定SEI层，在正极则通过THF的抗氧化特性抑制分解反应。

关键技术方法包括：1）全原子分子动力学模拟分析溶剂化结构；2）拉曼光谱和核磁共振（²³Na/¹⁷O NMR）表征离子配位环境；3）同步辐射X射线光电子能谱（XPS）深度剖析界面组成；4）多尺度电化学测试（-30至25℃温度范围）；5）工业级软包电池验证实际性能。

设计具有定制溶剂分布的电解质

通过MD模拟发现，1.8M NaPF₆的THF/2-MeTHF（1:1）电解质中，2-MeTHF在AGG/CIP/SSIP中的占比均超过50%，而THF在游离态占比达61.3%。¹⁷O NMR显示2-MeTHF峰强度近乎消失，证实其几乎全部参与配位。

溶剂化结构对负极稳定性的影响

含2-MeTHF的电解质使Na||Na对称电池在2mA/cm²下稳定循环5000小时，XPS显示其SEI层无机成分（F/C=1.38）显著高于对照组，形成致密的Na沉积形貌。

溶剂化结构对正极稳定性的影响

线性扫描伏安法证实THF的氧化稳定性优于2-MeTHF（4.8V vs 4.2V），使Na||NFM全电池在14.05mg/cm²高载量下实现77%的500循环容量保持率。

无初始阳极钠金属电池的电化学性能

该电解质使软包电池在贫电解液条件（E/C=2.9mL/Ah）下，150次循环后仍保持84.8%容量（-30℃），日历寿命测试21天容量保持81%，降解率仅0.06%/循环。

这项研究开创性地将电极稳定性决定因素解耦：负极稳定性由第一溶剂化鞘溶剂主导，正极稳定性则取决于游离溶剂。这种"选择性溶剂呈现"策略不仅适用于钠金属电池，还可拓展至锂、钾、铝等金属电池体系，为下一代高能量密度电池开发提供了普适性设计原则。通过精准调控分子级溶剂分布，研究实现了从基础理论到产业应用的跨越，标志着电解质设计从"经验探索"向"理性调控"的重要转变。