引言：钠（Na）基电池的原材料丰富，电化学性能与锂基电池相似，是储能系统的有前途的选择，为可持续能源的未来做出了贡献 。然而，涉及硬碳负极的钠离子电池由于其存储容量受到结构空位的限制而面临挑战，无法满足高能量密度可充电电池的需求 。钠金属因其 1166 mA h g−1 的高比容量和-2.71 V 的低氧化还原电位（与标准氢电极相比）而引起了广泛关注 。不幸的是，严重的体积变化、循环过程中的枝晶生长和过量的钠阻碍了钠金属阳极的应用并限制了能量密度的提高 。

华中科技大学程时杰教授团队与浙江大学陆俊教授团队在《Nature Communications》发布“氟掺杂微孔介孔碳纳米纤维”最新成果。该团队通过Zn-MOF与PTFE共热解构建F-Zn-N亲钠位点，实现5000次循环99.93%库仑效率的无阳极钠电池。这一成果为抑制枝晶、延长寿命提供了轻量高能量密度方案。

一、氟掺杂微孔覆盖介孔碳纳米纤维（FMCNF）的设计与制备

FMCNF 的设计聚焦于通过电子调制与结构工程提升无阳极钠金属电池（SMBs）的性能。在制备过程中，以锌 - 三唑金属有机框架（MET-6）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚丙烯腈（PAN）为前驱体，通过静电纺丝技术（18 kV 电压、0.15 mL・h⁻¹ 流速）形成纤维，再经热解处理得到目标材料。其中，PTFE 作为氟源和微孔形成剂，MET-6 作为介孔模板，共同构建出 “微孔覆盖介孔” 的独特结构 —— 介孔提供钠沉积的内部空间，微孔则均匀覆盖于介孔表面，诱导规则的固体电解质界面（SEI）形成。与对比样品（无 PTFE 的 MCNF、无 MET-6 的 FCNF）相比，FMCNF 的孔隙分布更均匀：微孔尺寸约 1.2 nm，介孔尺寸约 6 nm，且表面光滑，元素映射显示碳、氮、氟、锌均匀分布。这种结构设计既解决了 MCNF 介孔不均、表面粗糙的问题，又弥补了 FCNF 无介孔的缺陷，为后续钠沉积的稳定性奠定基础。

       图1：MCNF 和 FMCNF 的物理化学表征

二、FMCNF 的亲钠性与钠沉积机制

FMCNF 的优异性能源于其增强的亲钠性和独特的钠沉积行为。通过 X 射线光电子能谱（XPS）分析发现，氟的引入使嗜钠性 Zn-Nₓ物种含量从 MCNF 的 19.4% 提升至 31.3%，同时产生大量路易斯酸位点，显著增强对钠的吸附能力。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，钠与 FMCNF 的吸附能高达 3.83 eV，远高于纯碳（0.83 eV）和氮掺杂碳（2.52 eV），表明其更强的亲钠性。
在钠沉积过程中，FMCNF 表现出低成核过电位（7 mV）和均匀的沉积形态：原位光学观察显示，钠在 FMCNF 表面始终保持平滑，无枝晶生成；非原位扫描电镜（SEM）显示，钠先填充纤维内部介孔，再沿径向致密沉积，剥离后无 “死钠” 残留。此外，FMCNF 形成的 SEI 薄且均匀（约 9.1 nm），而 MCNF 的 SEI 厚且不规则（约 45.1 nm），这得益于微孔结构对电解质分解的抑制和介孔对钠的约束作用。

   图2:不同集流体上钠电镀 / 剥离的可逆性和形貌演变

三、基于 FMCNF 的无阳极钠金属电池性能

FMCNF 在电池中展现出卓越的电化学性能。在半电池测试中，以 FMCNF 为集流体的电池在 5 mA cm⁻² 的高电流密度下，钠电镀 / 剥离循环超过 5000 次，平均库仑效率达 99.93%，远优于铜箔（300 次循环失效）和 MCNF（循环稳定性差）。对称电池测试中，Na-FMCNF 电极在 10 mA cm⁻²/10 mAh cm⁻² 条件下循环寿命超 2000 h，即使在 94% 深度放电（DOD）下仍保持稳定。
全电池性能同样突出：以高负载 NVP 为正极（20 mg cm⁻²）的无阳极软包电池，在 0.3 C 下循环 200 次后容量保持率为 90%，体积能量密度达 173.5 Wh L⁻¹，质量能量密度达 322 Wh kg⁻¹。与 MCNF 基电池相比，FMCNF 基电池的阻抗更低，SEI 更稳定，不可逆容量损失更小，证实其在提升无阳极 SMBs 能量密度和循环寿命方面的有效性。

图3：基于不同集流体的全电池电化学性能 

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60168-8