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推动清洁能源的动态存储与二次调配,对于实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。相比于锂资源的有限储量和剧烈的价格波动,钠资源储量丰富且价格低廉,在城市公共交通和大规模储能领域具有广阔的应用前景,有望实现对锂离子电池的迭代升级。然而,钠离子电池的开发利用仍然面临着一些亟待解决的科学问题:Na+尺寸较大且具有较为迟滞的动力学特性,可使用负极材料种类少且在充放电过程中易产生较大的晶格畸变,引发内应力,造成优势晶体结构破坏和储钠性能的不可逆衰减;此外,可燃的液态有机电解液易挥发、泄露,使得电池器件存在短路、热失控、燃烧爆炸等一系列安全隐患。而石墨烯气凝胶具有稳定的三维连通骨架结构,以其作为基体材料负载高容量活性物质,能够协同提升复合负极的储钠能力与结构稳定性。同时,采用高稳定性的无机固态电解质替代液态电解液,匹配使用高容量的Na金属负极,优化负极/电解质界面兼容性与稳定性,以有效抑制Na枝晶。基于此,本论文以高性能石墨烯气凝胶基负极以及无机固态电解质与Na负极的界面结构为研究对象,深入研究Na+的储运行为及关键材料结构演化机理,耦合表面功能化修饰、三维异质结构构建、界面结构设计、有机-无机复合等优化策略,分析其功能组分、微观结构、储钠机制与Na+储运能力和稳定性的构-效关系,提升充放电容量与循环寿命。主要研究内容如下:（1）采用一步水热法,在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）的活性作用下,在三维石墨烯气凝胶（GA）的纳米片层上原位生长单分散的核壳结构Ni（OH）2@PVP纳米颗粒,后续通过低温磷化工艺,衍生制备Ni2P@C/GA复合负极材料,展现了优异的储钠性能,在1 A g-1的大电流密度下循环2000圈后,可逆容量仍保持在124.5 mAh g-1。Ni2P@C/GA电化学性能的提升主要得益于核壳结构与三维气凝胶结构的协同作用:GA具有丰富的开放孔结构,构建异质界面促进电解液传输,同时暴露更多活性位点,提高活性物质利用率,加速Na+/e-输运与耦合过程,提升电化学反应动力学;Ni2P颗粒外部的柔性碳层与GA三维碳骨架共同提高结构稳定性,缓解Na+嵌入脱出过程中产生的体积变化,抵消晶格畸变产生的内应力,同时构建限域屏障以抑制纳米颗粒的团聚和粉化。（2）预先对氧化石墨烯基体进行凝胶化处理,控制凝胶化程度,可控调控其纳米片层上活性官能团的分布和三维气凝胶结构的构建,后续通过奥斯瓦尔德熟化效应,原位调控CoSn（OH）6颗粒在石墨烯基体上的生长形态,将原来“少而大”分布的活性物质颗粒转变为“多而小”,最后通过热处理过程制备优化分布的SnO2/Co2SnO4@rGOA-10复合负极材料。电化学测试结果显示复合材料的电化学反应动力学和储钠能力得以显著提升,在1.0Ag-1的大电流密度下循环1000圈,仍能保持193.6 mAh g-1的可逆比容量。其中石墨烯气凝胶的开放孔道可促进电解液传输,同时构筑稳定的三维导电网络,较小的活性材料颗粒尺寸可缩短Na+/e-的体相传输路径,增加与碳基体和电解液的接触面积,更好地缓冲Na+脱嵌过程产生的内应力,提高活性物质利用率,共同提升反应动力学与稳定性。（3）采用简单的旋涂-烧结工艺制备AlF3界面修饰层,改善Na金属负极与钠超离子导体（NASICON）固态电解质的界面接触,提升界面润湿性,增加接触面积,降低电池内阻。NASICON电解质的枝晶抑制能力得以显著提升,60℃下对称Na金属电池可稳定循环超过300 h,临界电流密度提升三倍,达到1.2 mA cm-2,循环稳定性显著提高,Na负极与NASICON电解质在循环过程中均得以有效保护。衍生的氟化界面层阻止了 NASICON表面固有缺陷与Na负极的直接接触,且具有更大的界面能,能够提升临界枝晶长度。同时AlF3与Na之间呈现典型的“过电势驱动界面反应”,即增大的电流密度或局域富集的e-可以驱动更多的AlF3与Na+反应,消耗多余e-从而抑制枝晶的形成,实现界面电荷的优化分布,进一步提升临界电流密度和枝晶耐受能力。（4）系统研究固态钠金属电池中Na枝晶的分布行为与演化机理,发现散裂型、直线型、分支型和聚集型Na枝晶的广泛存在,共同导致固态电池出现短路现象。基于ZIF-62中的竞争性配体所造成的结构失稳特性,发展了一种制备致密而均匀的ZnO-N/C界面修饰层的新策略,由单相、连续的液态MOFs原位衍生获得,避免中间态再结晶过程。ZnO-N/C显著改善了 Na负极与NASICON固态电解质的界面接触,使界面处的Na+/e-传输更加均匀,进而诱导平面状的Na沉积/剥离过程,有效抑制Na枝晶;同时具有良好的亲钠特性,能够缓冲应力/应变,维持界面结构稳定性。组装的对称钠金属电池临界电流密度显著提高,以磷酸钒钠（NVP）作为正极材料的固态全电池在1 C电流密度下循环500圈后,保持91.3 mAh g-1的可逆容量。（5）通过S在高温环境诱导聚丙烯腈（PAN）的脱氢和环化,采用简单的粉末抛光工艺,在NASICON固态电解质表面制备各向同性的硫化聚丙烯腈（SPAN）修饰层,优化与Na金属负极的界面接触,降低界面阻抗。电化学阻抗测试、循环伏安测试与恒电流间歇滴定法（GITT）测试结果表明SPAN具有优异的Na+传输性能,其中化学锚定的S-S链段很容易与Na+结合,使界面Na+/e-传输过程更加均匀,诱导平面状的Na沉积/剥离行为,有效抑制Na枝晶。同时能够缓冲界面内应力,聚合物链段上的离域自由基可以吸附钠化过程产生的短链多硫化物,使其附着于有机链段上,保持优异的结构稳定性。SPAN界面层提升了NASICON电解质的枝晶抑制能力及循环性能,组装的对称Na金属电池临界电流密度达到1.4 mA cm-2,分别以NVP和SPAN作为正极材料组装的全电池皆具有优异的储钠性能,具备市场化应用前景。