综述：高能量密度无负极钠离子电池的先进集流体设计

这篇综述系统阐述了无负极钠离子电池（AFSIBs）集流体的前沿设计策略，重点探讨了通过表面改性（如碳基/金属涂层）提升钠亲和性（sodophilicity），以及通过多孔/梯度结构调控Na+沉积动力学，以解决枝晶生长和界面不稳定性等核心挑战，为开发高能量密度（>400 Wh kg?1）储能系统提供理论指导。

　　

2 无负极钠离子电池（AFSIBs）的运行原理与Na⁺沉积机制

AFSIBs通过完全消除传统负极活性材料，仅依赖阴极Na⁺在集流体表面的可逆沉积/溶解实现储能。这种“零负极”设计将理论能量密度提升至400 Wh kg^?1以上，但同时对集流体提出苛刻要求。Na⁺沉积遵循经典异相成核理论，临界半径R_crit与过电位η和界面能γ密切相关。高成核过电位导致纳米级钠核形成，加剧枝晶生长和SEI破裂。

3 AFSIBs集流体性能提升策略

3.1 集流体表面工程

碳基修饰：如石墨化碳（GC）和N/O共掺杂碳球（NOCS）通过降低Na⁺吸附能（DFT计算显示ΔG_ads降低25%），将成核过电位降至13 mV。但碳层体积膨胀（硬碳应变10%-20%）易引发界面分层。

金属基涂层：Sn、Sb等合金涂层通过形成Na-Sn合金（体积变化12%-15%）提供稳定成核位点，但合金化反应消耗活性钠。单原子材料（如Sb-SA）将钠利用率提升至85%，但规模化制备难度大。

界面功能化：Zn花边缘效应促进高熵SEI（含NaF/NaZn₁₃）形成，厚度仅18 nm；Ru催化层使SEI机械强度达203 MPa，抑制枝晶穿透。

3.2 集流体结构设计

多孔结构：铜纳米线（直径40 nm）将局部电流密度降低60%，但过高比表面积（>1 m² g^?1）会加速副反应。3D打印石墨烯微晶格实现定向Na⁺通量调控。

梯度设计：导电性梯度碳框架引导“自下而上”钠沉积，三重梯度（钠亲和性/孔隙率/导电性）集流体在5 mA cm^?2下稳定循环1500小时。

4 挑战与展望

当前集流体优化面临实验室精度与工业化成本的矛盾。未来需结合机器学习筛选材料（如预测sodophilicity）、多尺度原位表征（如冷冻电镜追踪SEI演化）和全生命周期评估（LCA），推动AFSIBs走向实用化。