背景介绍

化石燃料的广泛使用和随之而来的环境污染、资源短缺，推动了人们对清洁能源和相关储能器件的极大需求。由于电化学储能系统如燃料电池、超级电容器和锂离子电池等，具有转换效率高并可实现零排放的优点，吸引了研究者的广泛研究兴趣并在各个领域得到了重要的应用。作为新一代储能电源，钠离子电池具有显著的资源和成本优势，被视为锂离子电池的合适替代品，在大规模储能领域有着巨大的应用前景。然而，Na⁺的较大半径导致嵌/脱钠动力学缓慢、充放电过程中电极材料体积膨胀大，造成材料结构粉碎，电池循环寿命短和倍率能力有限。因此，探索有效的策略以提升电极材料的结构稳定性和Na⁺离子的扩散动力学，进而获得令人满意的比容量和循环寿命，是钠离子电池发展亟待解决的问题。

异质结构由两种或多种组分通过物理（例如范德华力）和化学相互作用结合，所构成的异质界面产生的内置电场效应，有助于加速钠离子扩散动力学、增加离子吸附能、改善结构稳定性、提高电导率和电荷转移效率、富集活性位点等。因此，构建异质结构负极可以实现稳定的纳米结构以及优异的Na⁺储存性能。

成果简介

本工作中，我们对近五年来金属硫族化合物异质结构储钠负极的最新进展进行了归纳总结，并提出了实际应用中需要解决的三个关键方面。首先对异质结构在改善钠离子电池电化学性能中的重要作用进行了概述，对金属硫族化合物基异质结构储钠负极的常用合成方法进行了详细的分类介绍，并讨论了不同类型的金属硫族化合物基异质结构储钠负极的最新研究进展及存在的问题。最后，我们提出了硫族化合物金属基异质结构负极在实际应用中可能面临的挑战和未来值得探索的方向，以解决金属硫族化合物基异质结构在钠离子电池中存在的问题，实现长寿命和高倍率性能钠离子电池。

作者简介

缪悦，北京化工大学研究生，主要从事异质结构储钠电极材料的设计合成及电化学性能研究。

肖莹，北京化工大学副教授，主要从事金属离子电池电极材料和电解液的设计合成及应用，以及Li-CO₂电池关键材料的设计与性能研究。

陈仕谋，北京化工大学教授，主要从事离子液体微观结构与构效关系；离子液体新型电解质；锂离子电池、锂硫电池、固态电池、锌离子电池等新型储能材料与器件；大规模储能技术等方面的研究。

Y. Miao, Y. Xiao, S. Hu, et al. Chalcogenides metal-based heterostructure anode materials toward Na⁺-storage application. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4943-9.

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背景介绍

锂离子电池（LIBs）由于其高比容量、长循环寿命以及高的能量和功率密度等优点，已成为应用最广泛的储能装置，特别是在便携式电子设备和电动汽车方面。然而，目前商用锂离子电池的负极材料相对单一，仅限于理论容量较低的碳材料，这严重限制了电化学性能的进一步提高。因此，目前最迫切的问题是开发具有大理论容量的新型可替代负极材料。在锂离子电池的各种潜在负极中，金属硒化物由于其与锂发生转化反应而具有高的理论容量，故而受到广泛关注。然而，硒化铜电极发生转化反应时会导致巨大的体积变化，最终导致活性材料从电极上分离和聚集。此外，Li⁺在电极中的缓慢固态扩散和硒化铜的不良导电性严重限制了LIBs的倍率性能。为了解决上述问题，常用的策略是调节电极界面以提高界面稳定性和界面传质。在电极表面上构建电极界面膜可以显著加速电子转移并稳定电极材料结构。然而，关于电极界面膜的确切微观结构和作用仍需进一步研究。因此，开发具有优异Li⁺输运性能的表面膜，明确其局部结构对进一步设计和改进高性能锂离子电池至关重要。

研究方法

本文先用冷凝回流一锅法制备Cu₂O前驱体，经过硒化得到Cu₂Se。最后，使用表面聚多巴胺包覆层辅助热解的方法，在Cu₂Se上设计了保护碳膜，形成拥有Cu-Se-C键的Cu₂Se@C材料。系统的X射线光谱表征和DFT计算表明，Cu₂Se表面形成的Cu-Se-C键在界面调控中起着关键作用，使其具有优异的储Li⁺性能。

成果简介

中科大宋礼教授团队设计出碳调控的硒化铜(Cu₂Se@C)材料，用以显著促进硒化物电极的界面稳定性和离子扩散。系统的X射线光谱表征和DFT计算表明，在Cu₂Se@C表面形成的Cu-Se-C键不仅提高了Cu₂Se@C的导电性，而且延缓了电化学循环过程中的体积变化，在界面调控中起着关键作用，这使得Cu₂Se@C的存储动力学从Cu₂Se的主要由离子扩散过程控制变为主要由电容过程控制。将这种独特结构的Cu₂Se@C作为锂离子电池负极材料时，在0.1 A·g^-1下达到810.3 mA·h·g^-1的超高比容量，且在5 A·g^-1下循环1500次后容量保持率仍可达83%。这种异质结结合化学键调控的策略为开发电池存储系统的先进电极开辟了一条潜在的途径。

图文导读

图1形貌和结构表征。

图2证明Cu-Se-C键的存在。

图3 Cu₂Se@C和Cu₂Se在LIBs中的电化学性能。

图4 Cu₂Se@C和Cu₂Se中 Li⁺的动力学分析。

图5 Cu₂Se@C电极的储存机理分析。

作者简介

宋礼（通讯作者），中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授、博士生导师。长期致力于同步辐射技术及其应用的研究，近年来聚焦于纳米材料和电化学器件的高分辨表征方法以及在线测试平台的研制等，以实现同步辐射多技术联用对工况下材料器件的全面动态探测。近五年发表通讯作者论文60余篇，包括Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat.Commun.、Adv. Mater.、NanoResearch等。迄今，论文总被引28000余次，个人H因子88，连续三年（2019、2020和2021年）入选科睿唯安全球高被引科学家。目前，担任中国物理学会同步辐射专业委员会委员，中国物理学会四刊联合和Nano Research期刊青年编委等。

陈双明（通讯作者），中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员、硕士生导师，中国科学院“青年创新促进会”会员。2014年博士毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室。2014-2016年在中国科学技术大学国家同步辐射实验室从事博士后工作（合作导师：宋礼）。2017年转为副研究员。近年来，针对能源材料的动态储能与催化机制，发展同步辐射谱学分析技术，开展了一系列创新性探索。近五年来，以第一/共一或通讯作者在Nat.Commun.、Adv. Mater.等国际知名期刊上发表论文49篇，H因子52，担任《物理化学学报》青年编委。

课题组主页：http://staff.ustc.edu.cn/~song2012/。

K. Zhu, S. Wei, Q. Zhou, et al. Interface regulation of Cu₂Se via Cu–Se–C bonding for superior lithium-ion batteries. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4953-7.

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背景介绍

钴酸锂（LiCoO₂，LCO）作为消费类锂离子电池最常用的正极材料，广泛应用于3C电子设备领域。然而，在4.2V的截止电压下，LCO仅能释放其理论比容量（274mAh/g）的一半，难以满足可移动电子设备日渐增长的能量密度需求。提高截止电压是提升电池能量密度行之有效的策略，但当充电截止电压提升到4.5Vvs.Li/Li⁺时，将带来一系列的问题与挑战。高工作电压会加剧LCO界面上的电解液的氧化副反应，加剧正极的晶格氧析出和钴离子溶出，继而导致材料内部损伤和裂纹产生，会使得界面副反应持续恶化，大幅缩减电池的循环寿命。优化电解液配方是降低电解液在正极界面反应活性的一种行之有效的策略。相对经济且有效的方法是引入少量的电解液添加剂，通过其牺牲分解达到钝化LCO正极界面的目的。因此，基于实用化的软包电池开发高电压电解液添加剂，并探究其作用机制对于高压锂离子电池研究具有重要意义。

成果简介

中国科学技术大学焦淑红团队联合宁德新能源科技有限公司鲁宇浩博士和北京工业大学闫鹏飞教授研究解析了一种多腈类添加剂——1,3,6-己烷三腈（HTCN）在高电压钴酸锂表面的作用机制，并应用于钴酸锂/石墨软包电池。在4.5V的截止工作电压下，电池体现出优异的循环性能，具备实用意义。通过电子显微镜和元素含量分析，研究表明HTCN添加剂可以有效抑制钴酸锂材料内部裂纹的产生和钴离子的溶出。结合X-射线光电子能谱和理论计算的结果，表明HTCN分子能有效地吸附在LCO表面，并且嵌入CEI，因此可以有效抑制电解液在LCO表面的持续氧化分解，从而显著提升电池的循环稳定性。本研究在分子层面上提供了腈类添加剂作用机制的新认识，为理性设计新型高电压正极添加剂具有一定的指导意义。

图文导读

作者简介

C. Tang, Y. Chen, Z. Zhang, et al. Stable cycling of practical high-voltage LiCoO₂ pouch cell via electrolyte modification. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4955-5.

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