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科研成果

新疆大学曹亚丽Small:硒桥联双金属硒化物异质结构实现优异储钠性能

发布时间:2026-01-13      浏览量:


随着储能需求的快速增长,钠离子电池因其钠资源丰富、成本低廉等优势,成为大规模储能领域的重要研究方向。然而,钠离子半径较大,导致电极材料在充放电过程中面临严重的体积膨胀和缓慢的离子扩散动力学问题,制约了其实际应用。负极材料作为电池关键组成部分,其性能直接影响电池的整体表现。锰基硒化物(MnSe)因具有约400 mAh g⁻¹的理论容量、较窄的带隙和良好的导电性,被认为是潜在的钠离子电池负极材料。然而,MnSe在循环过程中存在显著的体积变化、反应动力学缓慢以及结构稳定性差等缺陷,导致其循环寿命受限。现有改进策略包括构建分级纳米结构、形貌调控、设计双金属异质结以及与碳材料复合等。其中,双金属硒化物异质结构可通过两相界面构建内建电场,加速电荷转移,并提供额外活性位点。但异质结构的界面稳定性仍面临挑战,如何进一步强化界面耦合、抑制活性颗粒团聚、缓解体积膨胀,是提升材料综合性能的关键科学问题。

在这项研究中,研究人员通过界面工程策略,以Fe-Mn普鲁士蓝类似物为前驱体,成功构建了碳包覆的硒桥联双金属硒化物异质结构(Fe₃Se₄/MnSe@C,简称FMSC)。该材料在Fe₃Se₄与MnSe异质界面处形成内建电场,促进电荷重分布;同时,碳层与MnSe之间通过硒桥键(Mn─Se─C)实现化学键合,增强了结构稳定性。电化学测试表明,FMSC负极在钠离子半电池中表现出优异的倍率性能和循环稳定性:在0.5 A g⁻¹电流密度下循环50次后保持380 mAh g⁻¹的比容量;在5和10 A g⁻¹的高倍率条件下循环1000次后,分别维持336和367 mAh g⁻¹的可逆容量。动力学分析显示,该材料具有高达88%的赝电容贡献率和较低的离子扩散能垒(0.38 eV)。将FMSC负极与活性炭正极组装成钠离子混合电容器(FMSC||AC),器件在101 W kg⁻¹功率密度下实现104 Wh kg⁻¹的能量密度,并在2 A g⁻¹下循环3000次后容量保持率达90%,展现出良好的实际应用潜力。

该研究成功开发了一种硒桥联双金属硒化物异质结构材料,通过界面工程同时实现了电化学性能与结构稳定性的协同提升。硒桥键的引入不仅强化了异质界面结合强度,将界面形成能从-0.34 eV降低至-1.17 eV,还有效抑制了活性颗粒的团聚和体积膨胀,使材料体积膨胀率从195-211%显著降低至69.2%。碳包覆层与硒桥键的协同作用构建了高效的电子传输网络,显著提升了电极的导电性和离子扩散动力学。该材料在钠离子电池和混合电容器中均展现出优异的储能性能,其长循环稳定性和高倍率性能优于多数已报道的锰基负极材料。该工作为设计高性能钠离子储能材料提供了新思路,证明了界面化学键合工程在调控异质结构稳定性、优化电荷传输行为方面的有效性,对推动钠离子储能技术的实用化发展具有重要意义。