比利时那慕尔大学苏宝连院士领衔，武汉理工大学李昱教授Angew Chem最新研究论文：阴离子支柱助力长循环，高能量密度钠基双离子电池

第一作者：张西坤

通讯作者：曲红涛*，李昱*，苏宝连*

单位：比利时那慕尔大学，中国武汉理工大学，比利时法语鲁汶大学

钠基双离子电池是一类以阴离子/阳离子协同嵌脱为特征的储能体系，具有工作电压高、反应机理独特等优点。其中，石墨因其层状结构和良好的电子导电性，被广泛用作阴离子嵌入型正极材料。然而，在实际充放电过程中，常用阴离子（如 PF₆^-、TFSI^-）尺寸较大，其反复嵌入/脱出会引起石墨层间距剧烈变化，导致层间应力累积、结构剥离及不可逆坍塌，从而严重限制循环稳定性和倍率性能。现有策略如构建界面膜或采用改性碳材料，在一定程度上缓解了结构退化，但往往难以从根本上稳定石墨层状骨架。近年来，层间结构调控被认为是提升层状材料循环稳定性的有效手段，其中“支柱化”策略通过在层间引入稳定组分以限制层间塌缩，显示出独特优势。然而，该思路在钠基双离子电池石墨正极中的应用及其对阴离子嵌脱行为和结构演化的影响仍缺乏系统认识。因此，有必要从结构与反应机理层面出发，探索新的层间稳定化策略，以实现高稳定性石墨正极及长寿命钠基双离子电池。

近日，比利时那慕尔大学/武汉理工大学苏宝连院士团队，在国际知名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上发表题为 “Anion Pillars Enable High Energy Density Sodium Dual-Ion Battery With Ultra-Long Cycle Life” 的研究论文。该工作聚焦钠基双离子电池中石墨正极在阴离子反复嵌脱过程中面临的结构不稳定问题。作者提出了一种创新的“阴离子支柱（anion pillars）”策略，通过将 PF₆^-阴离子预先引入石墨层间，实现对层间距的有效调控与长期稳定，从而显著抑制结构塌缩并促进阴离子可逆嵌脱。文章系统分析了阴离子支柱对石墨结构演化、阴离子存储行为及界面稳定性的影响，并结合电化学测试与多种表征手段，展示了该策略在提升能量密度和超长循环寿命方面的显著优势。该研究为解决钠基双离子电池正极结构失稳这一关键瓶颈提供了新的思路，也为层状电极材料的结构稳定化设计提供了重要参考。

该工作首次在钠基双离子电池中提出并实现了 PF₆^- 阴离子作为层间支柱的预嵌入策略。与传统依赖充放电过程中阴离子可逆嵌入不同，该方法在电池运行前即对石墨层间结构进行“预调控”，有效扩大并稳定层间距，从根本上改变了石墨在大尺寸阴离子反复嵌脱时易发生结构塌缩和剥离的固有缺陷。

通过 XRD、Raman、TOF-SIMS及固态NMR等多种表征手段，作者系统揭示了 PF₆^- 阴离子在石墨层间的空间分布、循环过程中的可逆行为及其长期稳定性。结果表明，阴离子支柱在缓冲层间应力、限制层间过度膨胀方面起到了关键作用，使石墨在高电压阴离子嵌脱条件下仍能保持高度结构完整性，从而实现超长循环寿命和极低容量衰减率。

在稳定石墨正极的同时，文章通过缺陷工程优化 Co_0.85Se 负极的 Na⁺ 存储动力学，实现了阴离子与阳离子存储能力的有效匹配。由此构建的全电池在高倍率和长循环条件下均表现出优异性能，证明该阴离子支柱策略不仅是“正极材料改性”，而是可在体系层面显著提升钠基双离子电池整体性能。

当前对于阴离子在石墨层间长期稳定存在机制以及其对层状正极结构演化影响的认识仍然有限，这也是未来研究中的一个重要方向。由于阴离子嵌入/脱出过程伴随着显著的层间应力变化，传统非原位表征手段难以真实反映充放电过程中石墨结构的动态演化，因此亟需发展更多原位或准原位表征技术（如原位XRD、原位拉曼及原位固态核磁共振），以深入揭示阴离子支柱在循环过程中的稳定性及其调控机理。此外，不同类型阴离子在尺寸、电荷分布和配位特性上的差异，可能对层间结构稳定性和离子动力学产生显著影响，其普适性仍有待系统研究。理论计算与多尺度模拟可用于评估阴离子嵌入对层间应力、电子结构及迁移势垒的影响，为阴离子支柱的理性设计提供指导。与此同时，操作条件（如电压窗口、倍率和温度）对层间结构演化及循环寿命的影响亦值得进一步关注。深入理解阴离子支柱化石墨正极的结构稳定机制，将有助于实现兼具高能量密度与超长寿命的钠基双离子电池，并加速其在实际储能领域中的应用。

Anion Pillars Enable High Energy Density Sodium Dual-Ion Battery With Ultra-Long Cycle Life

苏宝连院士简介：苏宝连院士现任比利时那慕尔大学化学系终身教授，是比利时皇家科学院院士、欧洲科学院会士、英国皇家化学会会士、中国化学会荣誉会士以及中国化工学会外籍会士，同时为英国剑桥大学 Clare Hall 终身会员，并担任中国武汉理工大学战略科学家。其主要研究方向包括仿生等级孔材料的合成与分子工程，重点应用于人工光合作用、（光）催化、能量转换与储存以及细胞治疗等领域。

李昱教授简介：李昱教授于1999年在西安交通大学获得学士学位，2002年在辽宁石油化工大学获得硕士学位，2005年于浙江大学获得博士学位。同年，他加入安特卫普大学 EMAT 实验室，与 G. Vantendeloo 教授合作，从事研究工作，随后于2006年在比利时那慕尔大学苏宝连院士课题组开展研究。现任武汉理工大学全职教授。其研究兴趣主要包括纳米材料的设计与合成、等级孔材料的构筑，以及其在能源与环境基础研究领域中的应用。

曲红涛博士简介：曲红涛博士于 2015 年在青岛大学获得工学学士学位，2018 年在中国科学院青岛生物能源与生物过程研究所获得工学硕士学位。2024年，他在 Arno Kentgens 教授指导下于荷兰拉德堡德大学获得博士学位。现为比利时那慕尔大学无机材料化学实验室（CMI）博士后。其研究兴趣主要包括固态核磁共振谱学和固态电池。

张西坤博士简介：张西坤博士2025年5月在比利时那慕尔大学无机材料化学实验室（CMI）获得博士学位，后任博士后研究员至2025年11月。现为武汉理工大学特岗研究员，国家海外高层次人才引进计划海博项目获得者。研究方向为钠基双离子电池、水系锌离子电池以及水系铵离子电池的设计与优化。。