半导体所王丽丽研究员＆吉林大学韩炜教授，ACS NANO：双金属硒化物与MXene复合材料，打造超稳定、高效便携式钠离子供电单元

第一作者：李依霖

通讯作者：韩炜*，王丽丽*

单位：吉林大学，中科院半导体所

在追求可持续能源解决方案的当下，钠离子电池因其丰富的资源和环境友好性备受瞩目，成为锂离子电池的有力竞争者。然而，其性能发展受限于电极材料的循环稳定性和充放电效率问题。本研究背景针对这一挑战，揭示了一条创新之路：通过在V₄C₃T_x MXene纳米片上引入FeSe₂和CoSe₂双金属硒化物纳米颗粒，构建了一种多界面复合材料，旨在优化钠离子的传输效率和提高电池的循环稳定性。这种多界面设计策略的核心在于利用MXene的高导电性和表面官能团与双金属硒化物的协同作用，形成一个高度有序的导电网络，有效促进钠离子的快速迁移和均匀分布。此外，这种结构的引入还抑制了电极材料在长期充放电过程中的体积膨胀和结构破坏，显著提升了电池的稳定性和寿命。通过将材料科学的前沿技术与能源存储需求相结合，这项研究不仅为钠离子电池领域带来了新的视角，也为解决全球能源危机提供了一种具有潜力的新途径，展现了在可持续能源探索道路上的创新精神和科技的力量。

近日，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员与吉林大学韩炜教授课题组合作，在国际知名期刊ACS NANO上发表题为“Multi-interface Combination of Bimetallic Selenide and V₄C₃T_x MXene for High-Rate and Ultrastable Sodium Storage Devices”的观点文章。该文章通过介绍一种创新的多界面设计策略，旨在提升钠离子电池（SIBs）的性能。研究团队开发了一种新型电极材料，该材料由V₄C₃T_x MXene纳米片载有FCSe（FeSe₂/CoSe₂）双金属硒化物纳米颗粒，通过优化纳米颗粒与基底间的界面相互作用，大幅提升了电池的充放电速率和循环稳定性。电极展示了在高电流密度下的优异比容量和经过长期循环后的卓越稳定性，特别是在15000个循环后仍然保持了较高的容量保持率。这一研究成果不仅为钠离子电池提供了一种高效率和高稳定性的解决方案，也为未来电池技术的发展提供了新的思路。

多界面复合结构设计在本研究中以一种巧妙的方式，通过在V₄C₃T_x MXene纳米片上巧妙引入FeSe₂和CoSe₂双金属硒化物纳米颗粒，展现了其在钠离子电池性能优化方面的巨大潜力。这种设计不仅显著增强了电极材料的电化学活性和结构稳定性，而且通过促进钠离子的快速吸附和扩散，大幅提升了充放电效率。FeSe₂和CoSe₂纳米颗粒之间的紧密相互作用，以及它们与MXene纳米片之间的界面协同效应，有效缓解了电化学循环过程中可能引发的体积膨胀和材料劣化问题，从而保证了电池长期循环过程中的性能稳定性。此外，通过优化电子传递路径，这种多界面结构进一步加速了电化学反应的进行，实现了电池性能的全面提升。这一创新性设计不仅为钠离子电池的发展提供了新的材料解决方案，也为能源存储领域带来了新的科学思路和技术突破，展现了材料科学在推动能源技术进步中的关键作用。

在本研究中，通过创新地将FeSe₂和CoSe₂双金属硒化物纳米颗粒与V₄C₃T_x MXene纳米片结合，构建的多界面复合材料展示了高效的电荷转移与纳米颗粒的均匀分布。这种独特的结构设计优化了电子和钠离子的传输路径，促进了电荷在界面间的高效重新分布，从而大幅提高了电极材料的电化学反应动力学和整体导电性。FeSe₂和CoSe₂之间的紧密相互作用及其与MXene纳米片的协同效应，不仅增强了材料的结构稳定性，还抑制了在循环过程中可能发生的纳米颗粒聚集和体积膨胀，确保了电池在高电流密度下的长期稳定运行。此外，通过精确控制纳米颗粒在MXene纳米片上的均匀分布，这种多界面复合材料在提升电池性能的同时，还实现了硒化物的高效利用，展现了在钠离子电池领域中推动材料科学与能源技术融合发展的新策略。

该电极通过在V₄C₃T_x MXene纳米片上引入FeSe₂和CoSe₂双金属硒化物纳米颗粒，展现出了超长的寿命和卓越的电化学性能。这种设计通过优化界面之间的电荷分布，不仅有效提高了钠离子的传输速度和电极材料的机械稳定性，而且显著增强了电池在高电流密度下的充放电能力。更为引人注目的是，该电极材料在10 A g^-1的极端电流密度下，经过15000个充放电循环后，仍然能够维持50%的容量保持率，体现了其在实际应用中的巨大潜力。同时还展现了在快速放电慢充电（FDSC）模式下的超常电化学性能。在高电流密度（5 A g^-1）下进行放电，同时在低电流密度（0.5 A g^-1）下进行充电的测试中，该材料不仅提供了445.9 mAh g^-1的可逆质量比容量，而且在250个循环后，展现出364.9 mAh g^-1的放电容量和仅0.072%的平均容量衰减率。这一卓越的循环能力归因于多界面复合结构设计，它通过在V₄C₃T_x MXene纳米片上均匀分布FeSe₂和CoSe₂纳米颗粒，极大提高了硒化物的利用率，同时高效的电荷转移效率和异质界面的形成使其能够在高电流密度下快速而平滑地扩散大量的钠离子。

在能源科技领域，多界面设计策略的创新不仅展现了对材料微观结构的深入洞察，而且揭示了一条提升电化学性能的明晰路径。通过将FeSe₂和CoSe₂双金属硒化物纳米颗粒与V₄C₃T_x MXene纳米片结合，本研究构建了一个复杂而精细的电化学活性网络，这一网络在钠离子电池中发挥着至关重要的作用。具体来说，这种多界面结构优化了电极材料的离子传输通道和电子传导路径，大大提高了钠离子的迁移速度和电极的反应动力学。FeSe₂和CoSe₂的引入不仅增加了活性位点，促进了电荷的快速转移，还通过其与MXene纳米片的强相互作用，稳固了电极结构，抑制了长期循环过程中的材料脱落和性能衰减。

此外，FeSe₂与CoSe₂之间的协同效应显著提升了电池的充放电效率和循环稳定性。这种双金属硒化物的复合结构通过其独特的电子结构和优化的界面特性，有效地缓解了电极在反复充放电过程中的体积膨胀，减少了内部应力，延长了电池的使用寿命。在这项研究中，多界面设计策略不仅体现了对材料界面科学的深刻理解，还展示了如何通过精确控制材料的微观结构来达到宏观性能的优化。这一策略为钠离子电池乃至其他能源存储设备的发展提供了新的视角，指明了通过界面工程优化电化学性能的有效途径，为未来能源技术的进步奠定了坚实的基础。

Multi-interface Combination of Bimetallic Selenide and V₄C₃T_x MXene for High-Rate and Ultrastable Sodium Storage Devices

李依霖， 2019年获得吉林大学物理学学士学位，现为吉林大学物理学院在读博士研究生。研究方向是基于MXene材料的电化学储能器件的研究与设计。目前以已第一作者表SCI论文两篇，获得吉林大学求实奖学金及学术业绩奖学金等荣誉。

韩炜教授：1993 年获得吉林大学材料科学系学士学位，1997 年获得俄罗斯托木斯克理工大学机械工程系博士学位。他目前的研究重点是储能材料和器件。已在 Nature Communication、Advanced Materials、 Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、 Nano-Micro letter、Energy Storage Materials、 Information Materials、ACS Nano、Small 等国际核心知名期刊上以第一作者和通信作者身份发表SCI 收录论文200 余篇，3篇代表性论文入选”ESI全球高被引论文“，2 篇SCI他引超过100次SCI他引总计10000余次, H因子53，ESI全球高被引/热点论文15篇，授权/申请发明专利70余项 所使用的MXene材料作为电池电极属于国际前沿领域，研究成果受到国内外同行的广泛，引领了世界多个课题组的跟踪报道。

王丽丽，中国科学院半导体研究所研究员，中国科学院高层次人才。主要围绕着柔性传感集成系统面临的瓶颈问题展开研究。近五年， 第一或通讯作者在 Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev.、 Adv. Mater.、Matter、Adv. Funct. Mater.、Sci. Bull.、ACS Nano、IEEE EDL等国际权威期刊发表SCI论文100余篇，全部论文被SCI总他引9000余次，H-index：69。23篇论文入选ESI全球高热点和被引论文，授权/申请国家发明专利11项，其中实现专利转化2项。2017年入选中国科协“青年人才托举工程”；2018 年入选第十五届“未来女科学家”奖；2021 年入选“中国科学院高层次人才”引进计划。先后担任 J. Semicond.、 InfoMat、 Nano Res.、J. Phys. D Appl. Phys.等期刊的青年编委、客座编辑，以及 IEEE Nanotechnology Council 北京分会副主席。作为项目负责人承担包括国家自然科学基金， 某部委项目和中国科学院项目等。