原位电镜技术(In-situ Electron Microscopy)近年来发展迅速,在微纳米尺度的材料研究中发挥巨大作用,特别是能把材料的物性和微观结构直观地一一对应起来,这为深入理解能源存储与转换器件的微观过程提供了强有力的手段钠离子电池是一种应用潜力巨大的二次电池,相比锂离子电池有原料丰富、生产成本低的优点。但是因为钠离子较大的离子直径和较低的荷质比,还需进一步寻找合适的电极材料并探究其工作机理。碳纳米纤维是硬碳材料,石墨化程度低,导电性和机械性能较好,能够快速地嵌入和脱嵌钠离子,是一种优秀的钠离子电池负极材料。静电纺丝法制备纳米纤维因工艺简单、成本低廉、适合大规模生产而受到广泛关注。因此,本文利用原位电镜技术,在扫描电镜和透射电镜中对静电纺丝法制备的碳纳米纤维进行了原位充放纳的实验观察,尤其对碳纳米纤维负极的钠离子存储和输运现象和机理进行了较为深入的研究。另外,利用电镜真空中残留的氧气,研究了与钠-氧电池充放电反应相关的现象。主要研究结果如下:利用通电加热在同一根碳纤维上实现晶化程度的连续变化,充钠结果表明无定型碳区域的储钠能力明显高于石墨化区域,碳纤维中的介孔结构也为其提供了更多的储钠空间。经过首次循环后钠离子能够快速反复地在碳纳米纤维中嵌入和脱出。过充后的碳纤维会有钠颗粒在其表面析出形成枝晶,该钠枝晶倾向于在碳纤维表面介孔处形成,且能够通过加反向电压的方式消除。钠离子还会在碳纳米纤维和氧化钠电解质或金属集电极接触处析出并聚集成钠球,该钠球以准液态的方式膨胀和收缩。钠球表面极易与电镜真空中残留的氧气反应形成氧化钠外壳,成为存储金属钠的容器,容器中的钠随着钠离子的运输增加或减少。金属钠充满容器后会撑破氧化钠外壳继续膨胀,而当钠耗尽后,氧化钠外壳也会分解消失。此外,氧化钠对电子束敏感,在电子束辐照下会分解成氧气和钠(离子),这意味着电子束的存在可以加速钠-氧电池的充电过程。包有氧化钠外壳的金属钠在碳纤维表面可逆生长和消失,这一现象可以有效地用来填充碳纤维之间大量的空隙,从而大幅提高碳纤维负极的储钠能力。我们相信,这个重要的发现将为设计高效的钠离子电池和钠-氧电池提供极具启发意义的新路径。