钠离子电池（SIBs）的反应机制类似于锂离子电池（LIBs）。由于天然丰富的钠资源、成本效益和增强的安全性，SIBs作为LIBs的有希望的替代品获得了大量的研究关注。然而，与Li+相比，Na+更大的离子半径阻碍了离子在充放电过程中的扩散动力学，同时在电极材料中诱导了大量的体积膨胀。 这种膨胀通常会引发机械退化（如颗粒粉碎或结构崩溃），最终表现为SIBs的容量快速衰减、循环稳定性差和速率能力欠佳。 这些内在的挑战强调了开发具有强大循环耐久性的新型阳极材料的迫切需要。
近日，桂林理工大学曾亚萍&王柳教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Bio-inspired spore-like CoSe2@CNFs heterostructure enabling ultra-stable and high-rate sodium-ion batteries”。 研究者提出一种仿生设计策略，通过静电纺丝制备芽孢状 CoSe2@CNFs异质结构用于钠离子电池负极。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，CoSe2@CNFs 异质结构具有以下显著特性：电子离域效应明显增强、存在较强的内建电场，且钠离子（Na+）扩散能垒更低。这种仿生结构具备多重优势：（1）分级孔道分布优化了电极与电解液之间的界面接触；（2）强化的界面结合作用大幅降低了电荷转移电阻；（3）结构限域效应有效缓解了电极在循环过程中的粉化问题。得益于这种结构创新，CoSe2@CNFs 负极展现出优异的循环性能：在 0.1 A g-1 的电流密度下循环 100 次后，容量保持率仍达 320.9 mAh gg-1；在 10 A gg-1 的高电流密度下，可实现 30,000 次超长循环，且每次循环的容量衰减率仅为 0.0012%。将该负极与磷酸钒钠@碳（Na3V2(PO4)3@C）正极组装成全电池，进一步验证了其实际应用潜力：在 0.5 A g-1 的电流密度下循环 300 次后，全电池容量仍可达 101.15 mAh g-1，容量保持率为 88.4%。本研究提出的制备方法，为设计用于高倍率储能器件的 “表面活化-体积缓冲” 型电极体系提供了重要的基础理论参考。
图1：孢子状CoSe2@CNFs的结构示意图
图2：电化学性能表征
图2显示， Spore-like CoSe2@CNFs表现出平衡的电化学性能和快速充放电能力， 最值得注意的是，Spore-like CoSe2@CNFs阳极在高电流密度下表现出无与伦比的能力。
图3：动力学性能和离子扩散速率表征
图3显示，Spore-like CoSe2@CNFs电极表现出显著的电容性电荷存储贡献。 主要是，氮掺杂碳纳米纤维的三维网络在其中起到导电框架的作用，这加速了电子在复合材料中的快速转移。由于快速的电化学动力学，Spore-like CoSe2@CNFs电极内的高赝电容贡献保证了出色的高速率性能。
图4：电极材料循环过程中非原位表征
通过非原位XRD、原位EIS和非原位HRTEM等方法揭示了Spore-like CoSe2@CNFs循环过程中的转化反应，进一步证明了电极循环过程中的稳定性。
图5：态密度、差分电荷、扩散能垒及离子转移路径
通过图5可以观察到，Spore-like CoSe2@CNFs异质结构中的电荷分离清楚地表明存在显著的内部电场，为电子和离子的迁移提供了强大的动力，建立了完整稳定的电荷扩散路径，进一步增强了反应动力学和结构稳定性。
图6：全电池表征
为了评估Spore-like CoSe2@CNFs阳极的实际可行性，构建了一个将Na3V2 (PO4)3@C （NVP@C）阴极与工程阳极配对的全电池系统，通过全电池测试，表现出良好容量保持率和能量密度。
总之，研究者通过静电纺丝构建Spore-like CoSe2@CNFs异质结构，该结构具有结构弹性、高接触面积和抑制颗粒团聚等优势，能有效缓冲体积变化、减少离子扩散路径。电极展现出优异的电化学耐久性和高倍率性能，全电池也表现良好，为高性能SIBs负极设计提供了通用策略。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167520
人物简介：
曾亚萍：教授，博士生导师，湖南大学物理学博士，新加坡国立大学访问学者。主持国家自然科学基金 1 项，省部级项目3项，近年来在 Small 等期刊发表论文 30 余篇，授权发明专利多项。主要研究方向：锂、钠离子电池及功能性能源材料的开发及性能研究。
王柳：副教授，硕士生导师，湖南大学物理学博士，广西光学学会理事，中国物理学会会员。长期从事微纳光学结构与器件、储能物理等方面的研究，取得了系列研究成果，以第一作者或者通讯作者身份在国内外学术期刊发表SCI收录学术论文20余篇，出版学术专著1部，申请发明专利5项。作为项目负责人承担广西自然科学基金等各类科研项目5项，作为骨干成员参与国家自然科学基金5项、广西自然科学基金等省部级科研课题8项。
