北化工陈仕谋&肖莹， Small：同源异质结构助力应力自适应硒化铁用于长寿命高首效钠离子电池

第一作者：肖莹，缪悦

通讯作者：肖莹*，陈仕谋*

单位：北京化工大学

钠离子电池因具有成本低、资源丰富和安全性高等优点，在大规模储能领域展现出巨大的应用前景。然而，由于Na⁺半径较大（1.02Å），导致Na⁺在电极材料中扩散动力学缓慢，并产生巨大的体积膨胀，造成不可逆容量损失大、倍率能力差及循环寿命短。尤其是第一次循环中的较大可逆容量损失将导致较低的初始库仑效率（ICE），降低全电池的能量密度和循环稳定性，因此，开发结构稳定性好的电极材料，确保容量高、结构稳定性好的同时又能实现电池的高首效和优越的倍率性能、长循环寿命，对钠离子电池的大规模储能应用至关重要。

近日，北京化工大学的肖莹副教授和陈仕谋教授在国际知名期刊Small上发表题为“Strain Self-Adaptive Iron Selenides Toward Stable Na⁺-Ion Batteries with Impressive Initial Coulombic Efficiency”的文章，通过构建同源异质结构对FeSe进行应力调节，制备具有高振实密度的无碳储钠负极，并通过实验表征、密度泛函理论计算、分子动力学模拟等揭示了高质量同源异质界面的形成和应力的分布，证实了自适应同源异质界面能够有效缓解充放电过程中材料应变，提升自身结构稳定性，确保电池的良好可逆性和快速钠离子传输动力学。

通过控制热处理参数，制备得到同源异质结构FeSe （t/h-FeSe）。采用XRD精修，证实了t/h-FeSe中 t-FeSe 和 h-FeSe 的含量分别为61.6% 和38.4% 。采用 Williamson-Hall 法研究了异质结构形成后的两相体积膨胀，其中t 相体积膨胀为0.14% ，h 相体积膨胀为0.36% ，表明异质结构相由适度应力应变的两相组成，该结构的形成有利于提高电化学反应过程中氧化还原反应的可逆性，且能提升材料的自身结构稳定性。通过DFT研究了 t/h-FeSe、 t-FeSe 和 h-FeSe 嵌入不同浓度Na后的应变能，证实了t/h-FeSe 的优越抗应变能力和良好的自适应结构。

通过对材料进行SEM、TEM表征，证实了t/h-FeSe尺寸为30-60μm的块体，并由具有致密表面的层状结构组成。采用HRTEM，证实了丰富异质界面和额外活性位点的形成，有利于提高电化学反应活性，增加电荷转移，并促进电解质离子在充电和放电过程中的扩散，提升电化学性能。选取不同晶体取向的两个晶粒边界进行模型优化，通过分子动力学(MD)模拟揭示异质结构中应变分布和缺陷的产生，证实了界面的紧密接触和良好耦合。

所设计合成的t/h-FeSe具有良好的界面耦合和应力自适应结构，能够有效地缓解了电极材料的体积应变，提升钠离子扩散动力学，促进了可逆转化反应，提升结构稳定性。当用作储钠负极，可获得高达94.1% 的超高 首效，在5 A g^-1的高电流密度下，可稳定循环4000次，容量保留率为96.0%。同时具有优越的倍率能力，在30 A g^-1下，容量可达242.9 mAh g^-1。

Strain Self-Adaptive Iron Selenides Toward Stable Na⁺-Ion Batteries with Impressive Initial Coulombic Efficiency

肖莹：北京化工大学材料科学与工程学院副教授，北京化工大学高层次引进人才。主要从事钠电池及锂-二氧化碳电池关键材料构筑合成及应用研究工作。已发表高质量SCI学术论文60余篇。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Energy Lett., Small等国际顶尖期刊上发表相关学术论文30余篇，申请和授权钠离子电池关键材料相关发明专利5项。撰写碳基能源材料相关英文书一章节。（Carbon-Based Metal-Free Catalysts 2018, John Wiley & Sons.）。

陈仕谋，北京化工大学教授，国家自然科学基金委优青，英国皇家学会会士。2002年本科毕业于郑州大学，2006年博士毕业于中国科学院上海应用物理研究所。2008-2012年先后在名古屋大学、日本国立物质材料研究所做博士后。主要从事固态电解质结构设计与构效关系、离子液体新型电解液、新型储能材料及器件、大规模储能技术等方面的研究。目前在在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Energy Environ. Sci.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.; Chem. Commun. 等杂志累计发表SCI论文共计160余篇，申请发明专利40余项。