无枝晶钠电！500次，91%！吴忠帅/陆俊/余彦，强强联手发表AM！

钠金属具有~1166 mA h g⁻¹高的理论比容量和−2.71 V的低氧化还原电位，在钠金属电池领域有着广阔的应用前景。其中，在原子水平上限制钠(Na)枝晶的生长是实现钠金属电池(SMBs)稳定性和安全性的前提。

在此，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅、浙江大学陆俊、中国科学技术大学余彦等人报道了第四主族元素(Sn、Ge、Pb)作为单金属原子锚定在石墨烯(Sn, Ge, Pb SAs/G)上的sp杂化无枝晶钠金属负极的通用合成。对Sn SAs/G上Na生长的原位实时观察，揭示了在原子水平上动力学均匀的平面沉积，从而有效地抑制了枝晶生长。

基于此，对称Sn SAs/G-Na电池在200次循环中表现出99.8%的高库伦效率，在4 mA cm^-2下具有600 h的长期循环性能，在8 mA cm^-2下具有40 mV的超低过电位。

此外，全电池Na₃V₂(PO₄)₃||Sn SAs/G-Na在20 C下表现出67 mAh g^-1的前所未有的倍率性能，500次循环后容量保持率高达91%。对不同M SAs/G (M=Sn, Ni, Zn, Fe, Co)上Na沉积的理论计算表明，Sn SAs/G的5s 25p 2电子组态实现了Na团簇沿石墨烯平面的平面沉积机制。

图2. 钠离子在M SAs/G (M = Zn, Co, Ni, Fe, Sn)上化学吸附行为的非原位表征和理论计算

总之，该工作展示了具有sp杂化的第四主族元素以单原子形式存在于石墨烯上用于无枝晶SMBs，原位TEM观测和理论模拟都揭示了Na金属在Sn SAs/G上于原子层面均匀平面沉积的基本机制，且不会形成界面枝晶以及Na聚集现象。

此外，对称型Sn SAs/G-Na电池在200次循环中展现出99.8%的高库仑效率，在4 mA cm⁻²下具备长达600小时的长期稳定性，并且在8 mA cm⁻²下有着40 mV的超低过电位。NVP||Sn SAs/G-Na电池在20C下显示出67 mAh g⁻¹的高容量以及长期循环能力。此外，Ge SAs/G和Pb SAs/G也能够抑制Na枝晶生长，体现出广泛的普适性。

理论计算表明，Sn单原子对Na具有-1.49 eV的强吸附能，且第四主族元素独特的sp轨道杂化引导了Na₃纳米团簇的平面生长。因此，该工作为开发第四主族元素单原子形式的高性能无枝晶SMBs提供了新见解。

图2. NVP||Sn SAs/G-Na全电池的电化学表征

The sp Hybridization of Tin Single Atoms for Dendrite‐Free Sodium Metal Batteries, Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202415026