钠金属电池因其高自然丰度、低成本和高能量密度备受关注。然而，传统电解液中非均匀的Na?通量与缓慢去溶剂化动力学往往导致枝晶生长和副反应，严重制约其实际应用。钠金属负极表面的双电层区域是离子传输和去溶剂化过程发生的重要区域，因此可以通过调控双电层能实现枝晶生长的抑制。尽管电解液添加剂是一种可扩展的稳定化策略，但传统添加剂如氟代碳酸乙烯酯（FEC）存在成本高、碳排放大及毒性等问题。相比之下，来源广泛、绿色可再生的生物质基添加剂具有来源广泛、低成本且碳足迹更小等优势，但相关研究目前较为有限。

  近期，武汉大学陈朝吉教授与湖北工业大学胡培副教授团队合作，针对上述问题，提出一种醋酸纤维素（CLA）生物质大分子添加剂，实现了对双电层的有效调控，显著提升钠金属电池的稳定性与寿命（图1）。CLA大分子在双电层中优先吸附于钠金属负极表面，取代活泼溶剂化结构中的溶剂分子，抑制界面副反应。同时，其丰富的醋酸根与Na?发生竞争性配位，均匀化离子分布并加速去溶剂化动力学（图2）。该协同效应有效降低了成核过电位，将Na沉积转变为三维瞬时成核模式，实现枝晶生长与界面副反应的抑制。基于此电解液的Na||Na对称电池在0.5 mA cm?2电流密度下稳定循环超过7000小时（图3），Na||Al电池在2 mA cm?2电流密度下循环1200圈后平均库仑效率高达99.97%（图4）。同时，在NVP||Na电池中实现了2000圈高倍率（5C）循环后仍保持约80.4%的容量，显著优于传统电解液及多数报道的添加剂体系（图5）。综上所述，该工作展示了CLA作为多功能电解液添加剂在可持续、安全、高效的钠金属电池中的巨大潜力，不仅为钠金属负极的稳定性难题提供了新思路，也为基于生物质资源的电解液分子工程开辟了新的方向。

图1. CLA添加剂的示意图设计和作用机理。（a）CLA制备的示意图。（b）传统有机添加剂（以FEC为例）和生物质添加剂的比较。钠离子配位环境和沉积行为在（c）GDE和（d）CGDE中的示意图。

图2. Na⁺溶剂化化学与双电层结构的理论模拟与表征。（a）GDE和CGDE的Raman图谱和（b）自由G2和溶剂化G2的比例。（c）GDE和CGDE的²³Na NMR图谱。（d）GDE和（e）CGDE中分子动力学模拟快照以及相应的径向分布函数和配位数。（f）CLA分子的ESP分布。（g）CLA-Na⁺、G2-Na⁺和DOL-Na⁺的结合能。（h）优化的溶剂化结构和相应的去溶剂化剂能。（i）两种电解液的活化能。（j）CLA、G2和DOL与Na金属负极之间的吸附能。（k）GDE和CGDE的非法拉第电容-电位曲线。

图3. 钠金属负极的长期循环稳定性。（a）在0.5mA/cm2、0.5mAh/cm2下Na||Na对称电池的长期循环（插图：390-400和6990-7000小时的放大图）以及（b）在2mA/cm2、2mAh/cm2下的循环（插图：494-500和2494-2500小时的放大图）。（c）本工作与先前报道的Na||Na对称电池性能对比。（d）循环50圈后GDE和CGDE中Na负极的SEM图像和光学数码照片（插图）。（e）GDE和CGDE从0.5到5mA/cm2电流密度下的极化电压变化曲线。（f）GDE和CGDE从0.5到5mA/cm2电流密度下计算出的交换电流密度。（g）GDE和CGDE的Tafel曲线。（h）GDE和CGDE（在-150mV vs Na⁺/Na下获得）的Na||Na对称电池的i2/i?2与t/t?的无量纲曲线，与理论成核模型进行比较。原位光学显微镜图像显示在（i）GDE和（j）CGDE中2mA/cm2下Na负极上的钠沉积过程。

图4. 电解质中Na⁺沉积行为。在不同沉积时间下电极表面形貌（a）GDE、（b）CGDE的SEM图像。（c）在2mA/cm2下不同电解液的成核过电位曲线。（d）在2mA/cm2和2mAh/cm2下Na||Al电池的库仑效率。GDE中循环电极的（e）F 1s、（f）O 1s和（g）C 1s图谱。CGDE中循环电极的（h）F 1s、（i）O 1s和（j）C 1s图谱。XPS图谱显示在列上，每个高度对应于深度剖析结果。

图5.NVP||Na电池的电化学性能。（a）在5C倍率下NVP||Na电池的循环性能。（b）CGDE在5C倍率下的电压-比容量曲线。（c）已报道文献与本工作中的NVP||Na电池性能比较。（d）不同循环后NVP||Na电池的电阻变化。（e）在0.2C倍率下高载量NVP||Na电池的长期循环性能。使用GDE（f）和CGDE（g）电解液的软包电池在不同循环后的超声图像。

  相关研究成果以“Regulating the Electric Double Layer via Cellulose Acetate Enabling Stable and Long-Lifetime Sodium Metal Batteries”为题发表在《ACS Nano》（10.1021/acsnano.5c12283）期刊上。该工作由湖北工业大学和武汉大学合作完成，湖北工业大学青年教师周晓燕为论文第一作者，湖北工业大学胡培副教授和武汉大学陈朝吉教授为论文共同通讯作者。该研究得到湖北省自然科学基金（2025AFB048）、湖北工业大学科研启动基金（XJ2023008701）、湖北工业大学绿色工业引领计划（XJKY20240129）、湖北省自然科学基金创新发展联合基金（2025AFD096）和湖北省教育厅科研项目（D20231403）等基金的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12283