理论价值
1. 首次通过密度泛函理论（DFT）系统阐明双无机组分（Na₃P/NaCl）的协同作用机制，揭示了 “亲钠性 – 电子绝缘 – 离子传导” 的三重平衡原理，突破单一无机相界面层的功能局限。
2. 量化了界面能、扩散势垒、带隙宽度等关键参数对钠沉积行为的调控规律，建立了 “分子结构 – 电子特性 – 电化学性能” 的定量关联模型，为金属电池界面层的理性设计提供了理论框架。
3. 验证了双无机相协同降低 Na⁺迁移活化能的核心机制，从电子结构层面解释了低温下离子快速传输的本质，丰富了金属电池低温电化学的理论体系。
应用价值
1. 提出的 PCl₅原位反应制备双无机富集体界面层（PCI）技术，工艺简单可控、成本低廉，可直接应用于钠金属电池量产，解决传统钠阳极枝晶生长和电解液腐蚀的行业痛点。
2. 所制备的 PCI-Na 阳极使全电池在 5C 倍率下循环 1000 次容量保持率达 82.3%，-20℃低温下稳定循环 600 次，为大规模储能、低温环境储能设备提供了高性能解决方案。
3. 双无机相界面设计策略可迁移至锂金属电池、钾金属电池等领域，为多体系金属电池的稳定性提升提供通用技术路径。
文献介绍
近日，苏州大学倪江锋教授、李亮教授团队在《Journal of Materials Science & Technology》（IF=10.319，材料科学 TOP 期刊）发表关于钠金属电池双无机富集体人工界面的研究。研究核心是通过 PCl₅与钠的自发反应，构建富含 Na₃P 和 NaCl 的人工固体电解质界面（SEI）层，结合 DFT 理论计算与实验表征，揭示双无机组分的协同稳定机制，实现钠金属电池的长循环、高倍率及低温适配性能突破。
背景介绍
钠金属电池（SMBs）因钠资源丰富、成本低廉、理论容量高，被视为锂离子电池在大规模储能领域的理想替代方案。但钠阳极与传统酯类电解液兼容性极差，易发生不可逆反应，形成脆弱的天然 SEI 层。
该天然 SEI 层存在三大致命缺陷：一是机械强度低，无法承受钠阳极体积波动和枝晶生长的应力；二是离子传导不均，导致钠沉积 “热点” 形成，加速枝晶生长；三是化学稳定性差，易溶解失效，造成电解液持续消耗和 “死钠” 积累。这些问题导致钠金属电池库仑效率低、循环寿命短，严重制约其产业化进程。
现有界面优化策略存在 SEI 成分易受电化学过程影响、长期稳定性不足等问题。单一无机相 SEI 层（如 NaF、NaBr）难以同时满足电子绝缘、离子传导、机械稳定的多重需求，而双无机相协同设计为解决这一矛盾提供了新方向。
1. 界面层制备与实验表征
• 两步原位反应：先将 PCl₅粉末均匀涂覆钠表面降低反应能垒，再滴加 PCl₅的 1,2 – 二甲氧基乙烷（DME）溶液，通过 8Na + PCl₅ = Na₃P + 5NaCl 反应生成双无机富集体界面层（PCI-Na）。
• 表征手段：采用 SEM 观察界面形貌与元素分布，XRD 验证 Na₃P 和 NaCl 的晶体结构，XPS 分析表面化学态；通过对称电池、半电池及全电池测试评估电化学性能。
2. DFT 理论计算体系
• 计算平台：Materials Studio 2022，Forcite 模块计算吸附能，CASTEP 模块计算界面能与电子结构。
• 核心参数计算：
a. 吸附能：采用 PBE-GGA 泛函，计算 Na⁺在 Na、Na₃P 表面的吸附能，评估亲钠性。
b. 电子结构：计算 Na₃P 和 NaCl 的带隙宽度，分析电子绝缘性能。
c. 扩散势垒：通过过渡态搜索，量化 Na⁺在不同界面的扩散能垒。
d. 界面稳定性：计算 Na₃P/Na、NaCl/Na 的界面能（γ）与 γE 值（界面能 × 杨氏模量），评估抗枝晶穿透能力。
• 收敛准则：截断能 500 eV，能量收敛精度 10⁻⁵ eV，力收敛精度 0.01 eV/Å。
1. 双无机界面层的结构与稳定性（DFT + 实验验证）
图 1 （a）金属钠负极的制备示意图；（b）磷氯改性钠（PCI-Na）的制备流程示意图；（c）磷氯改性钠的俯视扫描电镜图像及元素面分布图谱；（d）磷氯改性钠的截面扫描电镜图像；（e）磷氯改性钠的 X 射线衍射图谱；（f）磷氯改性钠的磷 2s 高分辨 X 射线光电子能谱；（g）磷氯改性钠的氯 2p 高分辨 X 射线光电子能谱。
• 结构表征：XRD 和 XPS 证实 PCI 层由 Na₃P（110、103 晶面）和 NaCl（200、220 晶面）组成，SEM 显示界面层致密均匀，与钠基底紧密结合，循环 100 次后仍保持结构完整。
图2 磷氯改性钠（PCI-Na）的理论模拟结果。(a) 钠原子在钠基底与磷化三钠表面吸附的几何优化原子构型；(b) 对应的吸附能；(c) 磷化三钠、(d) 氯化钠的能带结构；(e) 钠基底与氯化钠表面的钠离子扩散势垒；(f) 氯化钠 / 钠、磷化三钠 / 钠体系的杨氏模量及 γE 值
• DFT 界面稳定性：Na₃P/Na 和 NaCl/Na 的 γE 值分别为 4.13 和 3.6 eV・Å⁻²・GPa，均满足抗枝晶穿透的阈值要求，证明其优异的机械稳定性。
2. 协同作用机制的 DFT 解析
图 3 磷氯改性钠（PCI-Na）与纯钠负极的动力学性能对比。(a) 磷氯改性钠与裸钠的动力学性能对比示意图；(b) 塔菲尔曲线；(c) 磷氯改性钠 // 铜、纯钠 // 铜半电池的循环伏安曲线；不同温度下 (d) 磷氯改性钠、(e) 裸钠的电化学阻抗谱；(f) 钠离子扩散的活化能；对称电池在 (g) 1 毫安 / 平方厘米、2 毫安时 / 平方厘米和 (h) 4 毫安 / 平方厘米、1 毫安时 / 平方厘米电流密度下的电压曲线对比。
• 亲钠性调控：Na₃P 对 Na⁺的吸附能（-1.92 eV）显著低于钠表面（-1.18 eV），强亲钠性促进钠均匀沉积；NaCl 带隙宽度（5.06 eV）远大于 Na₃P（0.41 eV），有效阻断电子泄漏，抑制电解液分解。
• 离子传输加速：NaCl 的 Na⁺扩散势垒（0.35 eV）低于裸钠（0.63 eV），为离子快速传输提供通道；双相界面协同降低 Na⁺迁移活化能至 45.23 kJ・mol⁻¹，较裸钠（50.96 kJ・mol⁻¹）降低 11%。
3. 电化学性能突破
图4 磷氯改性钠// 磷酸钒钠与纯钠 // 磷酸钒钠全电池的电化学性能。(a) 倍率循环性能；不同倍率下 (b) 磷氯改性钠 // 磷酸钒钠、(c) 纯钠 // 磷酸钒钠全电池的恒电流充放电曲线；(d) 室温、5C 倍率下的长循环性能；(e) -20℃、0.5C 倍率下的循环性能。
• 长循环稳定性：PCI-Na 对称电池在 1 mA・cm⁻²、2 mAh・cm⁻² 条件下稳定循环 500 h，是裸钠电池（175 h）的 2.8 倍；与 Na₃V₂(PO₄)₃配对的全电池在 5C 倍率下循环 1000 次，容量保持率达 82.3%。
• 低温适配性：-20℃时，PCI-Na 全电池在 0.5C 倍率下循环 600 次，可逆容量 63.1 mAh・g⁻¹，而裸钠电池 100 次循环后容量归零，DFT 计算证实双相界面有效降低了低温下的离子传输能垒。
• 动力学提升：PCI-Na 的交换电流密度（0.260 A・cm⁻²）是裸钠（0.017 A・cm⁻²）的 15 倍，CV 曲线峰值电流更高，表明界面电荷转移效率显著提升。
该研究通过“实验制备 – 性能测试 – DFT 解析” 的闭环研究，成功开发了双无机富集体人工界面层（Na₃P/NaCl），实现了钠金属电池阳极稳定性的全方位突破。核心结论在于：双无机组分的协同作用解决了单一相难以兼顾亲钠性、电子绝缘性和离子传导性的难题，NaCl 提供电子绝缘和低扩散势垒，Na₃P 保障亲钠性和机械稳定性，二者协同降低 Na⁺迁移能垒，提升了电池的长循环、高倍率和低温性能。
未来研究方向：1）拓展双无机相组合体系（如 Na₃P/Na₂S、NaCl/NaF），通过 DFT 高通量计算筛选最优组分；2）优化界面层厚度与制备工艺，进一步提升工业化适配性；3）将该设计策略应用于锂金属电池、固态金属电池等领域，推动多体系金属电池的实用化进程。
文章信息
• 原文标题：Dual-inorganic-rich artificial interphase for sodium metal batteries
• 标题中文翻译：钠金属电池用双无机富集体人工界面
• 期刊：Journal of Materials Science & Technology（2026 年，Volume 258，62-69 页）
• DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.08.059
• 通讯作者单位：苏州大学物理科学与技术学院
