近年来，钠离子电池以低廉的成本和规模化储能等优势而备受关注。然而，钠离子电池中的离子传输动力学过程缓慢，进而导致其容量较低、倍率性能差等问题。为了加快离子在电极/电解质界面和电极体相内的传输速率，前期主要围绕如何优化离子溶剂化及离子短程传输的微纳体相结构等方面开展了相关研究。为了实现电池快速充放电过程，在开发高性能电极和电解质等关键材料基础上，还应从器件整体角度考量，可将多物理场（电、磁、力、热、光等）进行耦合，并探究钠离子存储及传输新机制。

【工作介绍】

近日，大连理工大学胡方圆教授针对钠离子电池中离子传输动力学缓慢问题，提出了微应力泵促进离子流传输的新策略，创制了电极电势-应力自调节材料，促进了Na+快速传输，揭示了电极电势与液态金属界面张力之间的构效关系，阐明了微应力场促进Na+传输新机制。为了实时探究钠离子电池充放电过程，将光纤布拉格光栅传感器置入软包电池中，并通过解耦传感器信号原位探究其充放电机理，该工作从微应力场的角度为改善Na+传输动力学过程提供了可借鉴的新思路。该工作以《Micro-stress pump with variation of stress to boost the ion transport for high-performance sodium-ion batteries》为题发表在能源领域国际知名期刊Energy&Environmental Science上，大连理工大学博士生金鑫为本论文的第一作者，胡方圆教授为通讯作者。

【研究亮点】

在电化学过程中通过液态金属模拟心脏泵血过程构筑微应力泵，利用应力场的作用加快离子传输速率。结合光纤布拉格光栅传感器原位监测技术，阐明了液态金属基电极材料的应力与电化学性能之间的构效关系。构筑出Ah级软包电池，在1 C电流密度下经过500次循环充放电过程后，其容量保持率为90.2%。

【图文导读】

该工作阐述了液态金属界面张力与电极电势之间的关系，并阐明了电极电势对Na+电化学传输速率的影响(图1)。在还原反应过程中，电极电势降低，液态金属的界面张力加快了Na+向内的传输速率。在氧化反应过程中，电极电势增加，液态金属表面电荷密度增大，界面张力下降，加快了Na+向外的传输速率。在此基础上，为了加强液态金属结构稳定性，构筑液态金属核壳包覆结构(LMNCs)，其自调节的界面张力有效改善了Na+传输动力学过程。

图1微应力泵促进Na+传输机制图。

采用光纤布拉格光栅传感器原位监测液态金属的形态变化和应力变化(图2a)，其微应变的变化趋势如图2b所示，即在氧化反应过程中，电极电势增加，界面张力降低，使液态金属呈现舒张形态；在还原反应过程中，电极电势降低，界面张力增加，使液态金属呈现收缩形态。应力变化趋势与应变相吻合，氧化还原反应驱动应力变化如图2c所示。上述结果表明，氧化还原反应会引起液态金属的形态变化。在0.3V、0.6V、0.9V和1.2V的充电过程中，可观察到材料的膨胀和收缩，如图2d-2g所示。为了探究界面强度对电化学性能的影响，采用AFM测量其电化学“力-位移”曲线(F-D曲线)，以确定材料的相态(图2h-k)。F-D曲线表明，材料的液态界面存在微小的吸引力和粘滞行为，这种纳米级的形貌动态变化为Na+提供了传输通道。综上所述，电极材料在氧化还原反应中，随着界面张力的降低或增加，呈现出相应的舒张形态或收缩形态。

图2电极材料的应力-电化学测试。(a)光纤布拉格光栅传感器(FBG)在液态金属中的应力-电化学测试示意图。(b,c)FBG在液态金属中的应力响应图。(d-g)不同电压下软包电池中LMNCs的AFM测试图。(h-k)不同电压下的LMNCs力-位移曲线图。

循环伏安测试如图3a所示，由0.05 A g-1时LMNCs的恒流充放电曲线可知，半电池的初始充放电容量分别为585.6 mAh g-1、364.3 mAh g-1(图3b)。在0.5、1、4、8、12、15、20、25、30、35 A g-1时，LMNCs的容量分别为348.7、321.6、289.1、237.6、204.3、184.5、166.2、148.2、132.7、119.1 mAh g-1(图3c)。一般地，容量贡献方式是影响离子传输动力学的关键因素之一。由图3f可知，在0.2 mV s-1时，LMNCs的电容贡献比例为73.9%，表明该材料具有较好的离子传输动力学特性。为了探究该材料经循环后的动力学稳定性，对其进行了循环稳定测试，如图3e、g所示。由图可知，LMNCs材料在10 A g-1下，经过1800次循环后容量为125.6 mAh g-1；在15 A g-1下，经过1000次循环后容量为100 mAh g-1，表明其经过循环后，仍可保持较好的离子传输动力学特性。

【结论】

该工作提出了微应力泵促进离子流传输新策略，创制了电压响应的应力自调节材料，通过微应力场作用加快了离子传输速率，改善了钠离子电池中离子传输动力学缓慢问题。此外，将光纤布拉格光栅传感器内置于软包电池中，原位探究钠离子传输机制。半电池在35 A g-1下容量为119.1 mAh g-1，Ah级软包电池经500次循环后容量保持率为90.2%，能量密度为317.2 Wh kg-1(基于活性物质质量)。