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Decoding Anode Stability: From Nucleation Kinetics to Pattern‐Guided Flux Control for Long‐Cycling Anode‐Less Sodium Metal Batteries

材料科学 阳极 成核 多物理 电解质 电化学 化学工程 离子键合 金属 电场 离子 化学物理 吸附 动力学 电极 纳米技术 碳纤维 焊剂(冶金) 快离子导体 电镀(地质) 无机化学 分析化学(期刊) 剥离(纤维)
作者
Srija Ghosh,Ashutosh Rana,Antra Mohini,Ponraj Jenis,S Renjitha,Md. Arif Faisal,Koushik Barman,James H. Ngyuen,Amreen Bano,Jeffrey E. Dick,Kingshuk Roy
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (9) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/aenm.202503588
摘要

Abstract Achieving stable operation in sodium metal anode‐less batteries demands a detailed understanding of the earliest stages of metal deposition, a process governed by interfacial energetics, ion‐transport, and local electric field gradients. In this work, the problem is approached from the ground up, beginning with fast scan voltammetry on ultramicroelectrodes to isolate the intrinsic nucleation kinetics of sodium on carbon and copper. These experiments reveal that carbon surfaces not only initiate plating more readily but also support partial reversibility even under high scan‐rate conditions. Building on this, a laser‐patterned current collector is designed to introduce spatially defined sodiophilic domains on copper. This architecture directs a more uniform sodium ion flux and suppresses dendritic instabilities. Real‐time optical imaging and cryogenic electron microscopy confirm that the patterns guide lateral sodium growth and promote a more stable solid electrolyte interphase. At the atomic scale, molecular dynamics simulations reveal how edge defects and chemical affinity influence ion adsorption and mobility. Multiphysics modelling captures how edge‐localized electric fields concentrate ionic flux, validating experimental observations. This integrated strategy enables excellent electrochemical durability, including over 3600 stable half‐cell cycles and 800 full‐cell cycles with >97% capacity retention, offering a clear route to next‐generation, high‐efficiency sodium metal anode‐less batteries.
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