吉林大学韩炜教授&李依霖/昆士兰科技大学孙子琪教授 AM：双机制MXene异质结构驱动电容增强钠离子电池实现高能–高功率性能

第一作者：李依霖

通讯作者：韩炜教授、王丽丽研究员、孙子琪教授

原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202508336

近年来，钠离子电池作为面向大规模能量存储和电动交通的可持续解决方案，因钠资源丰富与成本优势受到广泛关注，但其在高功率应用中依然受限于离子迁移缓慢和倍率性能不足的问题。传统电池依赖体相合金化/转化反应实现高能量密度，却在快充放条件下出现显著容量衰减；相反，超级电容器虽具备优异的功率密度和循环寿命，却难以实现长期稳定的大型能量储存。如何突破二者性能边界，实现“既有电池能量又有电容功率”成为当下储能材料研究的核心挑战。

近日，近日，吉林大学物理学院韩炜教授领导的团队，联合中国科学院王丽丽教授团队和昆士兰科技大学孙子琪教授团队，在《Advanced Materials》发表题为“Capacitance-Enhanced Battery: Integrating High-Density Battery Capacity with Supercapacitive Swiftness in an Ultra-Large MXene Architecture”的研究工作，该工作提出了电容增强电池（CEB）的概念，该概念将传统电池的高能量密度与超级电容器的快速充放电动力学相结合。该研究利用 超大片层MXene 和 BiZnS复合材料，构建了 C@BiZnS@V₄C₃异质结构。通过解决离子迁移缓慢的固有挑战，并为高能量与高功率提供动态机制。

本研究提出并验证了电容增强钠离子电池（Capacitance-Enhanced Battery, CEB）的创新概念，构建了基于超大片层 V₄C₃ MXene与Bi₂S₃ @ZnS（BiZnS）异质结构的C@BiZnS@V₄C₃复合电极。该电极在低电流密度（< 1 A g^-1）条件下，通过BiZnS内部的多级Na–Bi合金化（Na₃Bi→NaBi→Bi）和Na₂S转化反应，实现了高达 576 mAh g^-1的卓越比容量；当电流密度提高至 100 A g^-1时，V₄C₃ MXene的丰富活性位点快速实现Na⁺的表面吸附/脱附，电极展现出270 mAh g^-1的超高倍率比容量，并可在20 A g^-1下循环 10 000 圈而容量无显著衰减。

深入机理研究表明：原位XRD和TEM揭示高倍率下合金化/转化峰被抑制，电荷存储机制向界面吸附主导转变；DFT计算则显示BiZnS@V₄C₃界面拥有最低的Na⁺吸附能和最平坦的迁移能垒，双机制协同保障了高能量与高功率的兼容性；EIS等效电路及GITT测试进一步量化了界面电荷传输阻抗与扩散系数，验证了纳米级结构在快速电荷转移中的关键作用。

该双重功能机制使 C@BiZnS@V₄C₃复合材料 在 100 A g^-1 下展现出 270.4 mAh/g 的比容量，并在 20 A g^-1 下保持了超过 10,000圈 的卓越耐久性。这些结果验证了 CEB概念 是实现钠离子电池高能量存储容量与快速充放电性能的创新方法。

本工作突破了单一法拉第或电容存储模式的固有局限，创新性地将异质结构合金/转化与MXene表面电容结合，开辟了“低速高能—高速高功率”动态响应的新范式。CEB的成功示范不仅为钠离子电池实现高功率急速放电、长寿命循环提供了可行思路，也为未来柔性储能设备、快速应急电源及电动工具等领域的应用开发奠定了坚实基础。

本工作突破了单一法拉第或电容存储模式的固有局限，创新性地将异质结构合金/转化与MXene表面电容结合，开辟了“低速高能—高速高功率”动态响应的新范式。CEB的成功示范不仅为钠离子电池实现高功率急速放电、长寿命循环提供了可行思路，也为未来柔性储能设备、快速应急电源及电动工具等领域的应用开发奠定了坚实基础。

Y. Li. L. Wang, Z. Sun, D. Li, Z. Yuan, H. Liu, G. Li. J. Li. W. Han, Capacitance Enhanced Battery: Integrating High - Density Battery Capacity with Supercapacitive Swiftness in an Ultra - Large MXene Architecture. Adv. Mater. 2025, e08336.

李依霖， 2024年获得吉林大学物理学博士学位，现为吉林大学未来科学国际合作联合实验室博士后。主要从事基于MXene材料的电化学储能器件的研究与设计。目前以已第一作者发表在Advanced Materials，ACS Nano，Chemical Engineering Journal等期刊发表多篇成果。