鈉(鉀) Na(K) 金屬作為電池負極結合了低成本、高理論容量和高能量密度 (Na 和 K 分別為1165和687 mAh g-1)，金屬Na(K)負極可以與高容量的陰極配對，以獲得高能量和功率密度。因此，Na(K)金屬電池被認為是低成本、大規模儲能系統最有潛力的候選材料。然而，Na(K)表面枝晶的生長、電解液分解嚴重、庫侖效率低、循環穩定性差，甚至存在潛在的安全隱患，嚴重阻礙了它們的實際應用。

基于此，中國科學技術大學余彥團隊報道了一種簡單的方法將納米碲（Te）粉直接涂覆在金屬Na(K)表面，制備出Na2Te (K2Te) 保護層。通過密度泛函理論 (DFT) 計算和abinitio分子動力學 (AIMD) 模擬計算，發現 Na2Te/K2Te具有較低的Na+/K+遷移能壘和超高的Na+/K+擴散系數 (分別為3.7 × 10-10 cm2 s-1/1.6× 10-10 cm2 s-1 (300 K))，說明Na2Te/K2Te有利于Na+/K+遷移和抑制Na(K)的枝晶生長。

得益于此，Na@Na2Te負極在低成本碳酸鹽電解液中 (1mA cm-2,1mAh cm-2)可循環使用700h，相匹配的 Na3V2(PO4)3//Na@Na2Te全電池在高的功率密度29687 W kg-1下能量密度高達223 Wh kg-1，在20°C下循環3000次后容量保持率高達93%。此外，K@K2Te鉀金屬全電池的功率密度也高達20577W kg-1，能量密度為154Wh kg-1。相關論文以題為“Design Principles of Sodium/Potassium Protection Layer for High-Power High-Energy Sodium/Potassium-Metal Batteries in Carbonate Electrolytes: a Case Study of Na2Te/K2Te”發表在Advanced Materials。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202106353

具體來說，整個涂膜過程都是在氬氣手套箱(<0.1 ppm O2和H2O)中制備完成，將納米Te粉末直接噴涂在Na/K金屬表面，在Na/K表面生成Na2Te/K2Te保護層。通過冷凍透射電鏡（Cryo-TEM）分析表明，Na (K)表面改性層不僅能提高電流密度，降低Na(K)遷移活化能，還能抑制Na枝晶的形成。本實驗設計簡單、低成本為實現Na(K)金屬電池在大規模儲能中實現高功率密度和長周期壽命提供了新的方案。 （文：Navigator）

圖1.理論模擬: a) Na2X (x = S，Se，Te)的反螢石晶體結構。 Na+ 的電荷密度差在 b) Na2Te (001) 晶面的空穴位置和 c) Na (001) 晶面。黃色和青色球體分別代表電子的積累和消耗。紫色球代表吸附的Na+。 d) 在Na2X(x = S，Se，Te)的Na+ 吸附能總結。e) Na+ 的擴散能壘在Na2Te[100] ，[110] ，[111]等不同晶向。f)總結Na+的Na2X (x = S，Se，Te) 不同的擴散能壘。插圖為沿[100]，[110]和[111]方向擴散路徑示意圖。計算了選定的Na+原子的運動軌跡在1200K在 Na2Te分別對應 g) X-Y面和h)X-Z面。 i) Na2Te分別在1000,1200和1400K時候MSD與模擬時間的關系。

圖2. a）在Na/K金屬表面制備Na2Te/K2Te保護層示意圖。b）Na@Na2Te的SEM圖像和c) Na和d) Te所對應的元素分布圖。e) Na@Na2Te的XRD圖譜。分別研究了f) Na@Na2Te和g) Na表面的楊氏模量分布。

圖3. Na2Te@Na和Na的對稱電池的電化學性能。 a）電壓-時間分布在1 mA cm-2和1 mAh cm-2。b）固定容量為1 mAh cm-2的倍率性能，倍率分別為1、2、3、5和8 mA cm-2。c）不同溫度下d) Na和e) Na@Na2Te電池的擬合Tafel點和Nyquist圖。插入圖是等效電路模型。f) Na離子通過SEI擴散的活化能。

圖4. Na@Na2Te的SEI的冷凍透射電鏡圖像和相組成圖。b, c) TeO2的HRTEM和FFT。d,e) Na2Te的HRTEM和FFT。f, g) NaTe的HRTEM和FFT。h) 在0.5mA cm-2電流密度下Na沉積的原位光學觀察。比例尺為200μm。i, j) 50次循環 (100h) 后Na的表面形貌。k)在0.5 mA cm-2電流密度下Na沉積在Na@Na2Te上的原位光學觀察。比例尺為200μm。 l, m) Na@Na2Te經過50次循環 (100h) 后的表面形貌。 

圖6. K和K@K2Te的理論模擬及電化學性能。a) K2Te (001) 晶面空穴部位K+ 的電荷密度差。黃色和青色的球體分別代表電子的聚集和消耗。b) 計選定K+ 原子在K2Te的X-Z平面在溫度1600 K時的軌跡。c)K2Te在1200、1400和1600 K時MSD與模擬時間的關系。 d) 0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2對應的電壓-時間分布曲線。e)在0.5、1、2、3、5和8 mA cm-2電流密度下，容量為0.5 mAh cm?2時的倍率性能對比。 f) 20℃下的長循環性能和g)倍率性能。h) 能量/功率密度與其他參考數據的Ragone圖。