钠–空气电池因其高理论能量密度和丰富的钠资源储备，展现出作为锂离子空气电池替代品的巨大潜力。然而，在其多步反应过程中，复杂产物如NaO2、Na2O2和Na2CO3·xH2O的生成不可避免地提高了潜在的不相容性，导致效率低下和大的过电位。
2025年7月1日, 中国科学院物理研究所苏东、哈尔滨工业大学王家钧在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Cascade reactors for long-life solid-state sodium–air batteries》的研究论文，Xue Sun为论文第一作者，苏东、王家钧为论文通讯作者。
在本文中，研究人员引入了一种级联电催化策略，该策略通过电化学电位调节实现可切换的金属和氧还原反应。
利用锂离子的空间锚定效应，钠离子在Na[Li1/3Ru2/3]O2电极系统中被触发，从而在较低的电化学势下切换几何状态，并在不同的催化状态之间进行振荡，以实现复杂多步骤中间体的顺序转化。
Na[Li1/3Ru2/3]O2催化剂有效地将阈值电位分区隔开，从而避免了失活或竞争途径，并将不同的催化循环耦合在一起。
因此，采用该催化剂的钠空气电池表现出长期可逆性，超过1000个循环周期，催化效率超过99%。研究结果表明，级联电催化策略有助于设计具有长期循环稳定性的集成钠-空气电池。
图1：钠-空气电池的级联催化示意图。(a，b) 电离子插入催化剂比传统催化剂更有可能诱导级联催化效应。(c，d) 钠-空气电池的级联催化策略需要两个关键设计原则：循环过程中的动态活性位点和电化学电位与氧化还原组分的对齐（反应1–3）。(e) 钠-空气电池在电极-电解质界面的电化学反应示意图，级联催化策略有望实现高效的多步反应序列。(f) 反应的热力学势垒（ΔG）可以因级联催化而降低 。(g，h)级联催化改变了反应的热化学电化学驱动力（η=EF−Eeq，其中EF是电极的费米能级，Eeq是反应物的费米能级）：pDOS，部分密度态。
图2：固态钠-空气电池（SSNAB）的电化学性能。(a) 基于商业RuO2和Na[Li1/3Ru2/3]O2样品的SSNAB的恒流充放电曲线，电流密度为100mA g−1。(b) 两种催化剂的对比循环伏安（CV）曲线，电压范围为1.5至4.5V，扫描速率：0.1mV s−1。(c) 在500mAh g-1容量限制下的循环性能。(d) 与其他已发表的钠氧电池系统循环性能的比较，文献数据来源见补充表3。(e，f) 在SSNAB运行过程中，使用RuO2和Na[Li1/3Ru2/3]O2电极的原位差分电化学质谱（DEMS）分析气体消耗（e）和生成（f）。(g，h) 放电电极形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像，这些电极是在图2a所示的恒流测试中完全放电后获得的。(i，j) 利用同步辐射X射线断层扫描重建放电电极的体积渲染图像。
图3：存在Na[Li1/3Ru2/3]O2时的电极反应过程。(a) 在200mA g−1的电流密度下，容量限制为1000mAh g−1的充放电曲线，对应的(b)为外场扫描电子显微镜（SEM）分析，以及(c)为循环的Na[Li1/3Ru2/3]O2电极表面的Na−次级离子分布的元素分布图（通过飞行时间二次离子质谱，TOF-SIMS）。(d) 在固态钠空气电池（SSNAB）中不同电压状态下的Na[Li1/3Ru2/3]O2的外场拉曼光谱。(e) 总电子产额（TEY）模式下，循环的Na[Li1/3Ru2/3]O2电极的O K-edge XAS（X射线吸收光谱）。
图4：循环过程中催化剂结构的可逆演变。(a) Na[Li1/3Ru2/3]O2的三维无序阳离子框架，其中未杂化的O 2p轨道随机分布。(b) Na[Li1/3Ru2/3]O2沿[010]晶带轴的HAADF-STEM图像和晶体结构图，显示了原始Na[Li1/3Ru2/3]O2的层间距。(c) C-4.5V的Na[Li1/3Ru2/3]O2的STEM-HAADF图像和相应的EELS光谱。(d) 用虚线表示的X-1的倒数磁化率，插图显示了Na[Li1/3Ru2/3]O2循环系统的磁化率随温度的变化。
图5：级联催化剂中的可切换金属和氧氧化还原中心。(a) 在各种电化学状态下，O K-edge mRIXS（共振非弹性X射线散射）结果以及在523.7eV发射能量范围内积分的sPFY（自旋极化荧光光谱）光谱。(b) 基于STXM（扫描透射X射线显微镜）的软X射线ptychography（相位恢复技术）的示意图。(c) C-4.5V的Na[Li1/3Ru2/3]O2电极的STXM形貌图像，PCA（主成分分析）评估（顶部）和氧的RGB图（底部）。(d) 相互依存的磁化率X-1，虚线表示根据居里-外斯定律的线性拟合；插图显示了循环过程中 Na[Li1/3Ru2/3]O2系统的磁化率随温度的变化。
图6：固级联催化反应机制示意图。(a) C-2.5V、C-3.5V和C-4.5V Na[Li1/3Ru2/3]O2电极的活性Ru原子与不同吸附物种的配位原子的COHP（晶体轨道哈密顿种群）。(b) 吸附的NaO2、Na2O2、Na2CO3和直接参与充电的Ru原子的4d轨道的PDOS（部分态密度），以及用虚线表示的C-2.5V、C-3.5V和C-4.5V的Ru 4d带中心。(c) C-2.5V和C-4.5V的Na[Li1/3Ru2/3]O2催化剂的轨道相互作用示意图。(d) Na[Li1/3Ru2/3]O2（左侧）和RuO2（右侧）电极在不同电化学状态下的吉布斯自由能和活化能分析。插图是各个步骤的优化分子结构，见补充数据1和2。(e) 调控集成SSNAB电池的梯度催化系统示意图。图中的方块表示不同原子价态的动态演变过程。
综上，这篇论文通过引入Na[Li1/3Ru2/3]O2催化剂，实现了钠空气电池的高效多步反应转化，显著提升了其循环稳定性和能量转换效率（超过1000次循环，能量转换效率达99%以上）。该催化剂的动态活性位点和可切换的氧化还原中心能够有效调节反应中间体的吸附-解吸过程，降低反应过电位。这一成果不仅为钠空气电池的设计提供了新的理论依据，还解决了传统钠空气电池循环稳定性差的问题，显著提高了其实用性和效率。
研究成果为开发高性能、长寿命的钠空气电池提供了关键技术支持，有望在大规模储能系统中得到广泛应用，特别是在资源丰富且成本敏感的场景中。此外，钠空气电池的可持续性优势（钠资源丰富）以及柔性钠空气电池原型的展示，进一步拓展了其在可穿戴设备和柔性电子领域的潜在应用价值。
Cascade reactors for long-life solid-state sodium–air batteries.Nat Commun , 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60840-z.