随着可再生能源规模化开发与智能电网建设的快速推进，高性能电化学储能系统已成为保障清洁能源高效利用的关键设施。钠离子电容器凭借资源丰富、成本较低等优势，被视为最具前景的新型储能装置之一。然而，钠离子半径较大所导致的动力学缓慢、循环稳定性差等问题，严重制约了其实际应用。因此，亟需开发具有高容量和快速反应动力学的先进负极材料。MnS作为一种典型的转化型过渡金属硫化物负极材料，因其储量丰富、环境友好以及适合钠离子储存的电压平台等优势而展现出良好的应用前景。然而，如何解决MnS在循环过程中存在的体积膨胀和低电导率等问题，通过在纳米尺度实现精准的体相掺杂与界面调控，目前仍是重要的技术瓶颈。
近日，郑州大学李少慧副教授团队在期刊《Composites Part B: Engineering》上，发表了最新研究成果“Construction of Se-doped MnS with sulfur-bridged bonds in N, S-codoped carbon nanofibers as an anode for robust sodium-ion capacitors”。研究者通过静电纺丝和退火处理工艺，制备了一种限制在N、S共掺杂碳纳米纤维中的Se掺杂MnS（Se-MnS@CNFs），组装的Se-MnS@CNFs//NC钠离子电容器（SIC）可实现高能量密度和功率密度。
其中，Se掺杂MnS会导致晶格间距的扩大和电子结构的改变，从而改善电荷传输和Na扩散机制。同时，具有界面相互作用（Mn-S-C键）的一维核壳纳米结构进一步缩短了离子/电子传输路径，保持了结构稳定性，抑制了电极材料的聚集和体积膨胀。受益于Se掺杂和CNFs封装带来的协同优势，所获得的Se-MnS@CNFs电极表现出优异的电化学性能。这项工作提出了一种在高电流密度下实现高容量MnS基阳极的创新方法。
图1：Se-MnS@CNFs的制备过程和形貌表征。
图2：Se-MnS@CNFs的结构表征。
Se-MnS@CNFs纳米纤维膜是通过静电纺丝和退火处理制备的。SEM图像显示Se-MnS保留了立方结构，并被均匀封装在一维碳纳米纤维骨架内，没有明显的团聚。TEM进一步揭示了Se原子已经成功地掺入了MnS晶格结构中，并导致晶格间距增大。XPS为证明N和S成功共掺杂到碳纳米纤维骨架中，提供了直接有力的证据。
图3：Se-MnS@CNFs电极的电化学性能测试。
图4：Se-MnS@CNFs电极的储钠性能分析。
Se-MnS@CNFs电极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。Se-MnS@CNFs电极在0.05 A g-1时具有609.8 mAh g-1的高比容量，在电流负载增加的情况下也能保持高容量（20 A g-1下为355.1 mAh g-1）。此外，Se-MnS@CNFs电极在1 A g-1下循环800次后仍有501.4 mAh g-1的比容量和89.1%的容量保持率。相比之下，在800次循环后，MnS@CNFs和MnS电极保持了相对较低的容量，分别为347.6和171.2 mAh g-1。
图5：Se-MnS@CNFs的储钠机理分析。
图6：Se-MnS@CNFs的DFT计算及机理分析。
一系列原位、非原位表征证实了Se-MnS在钠化/脱钠过程中的钠离子存储机制为转化反应。此外，为了深入研究Se-MnS@CNFs的优越性能机制，通过DFT计算检测了MnS、Se-MnS和含S空位Se-MnS的电子构型变化。揭示了Se-MnS@CNFs中Na原子和材料之间更强结合力的由来。
图7：Se-MnS@CNFs//NC SIC的示意图和电化学性能测试。
此外，制备的Se-MnS@CNFs//NC SIC具有优异的能量/功率密度（146.1 Wh kg-1/22000 W kg-1）以及出色的循环稳定性（循环6000次后电容保持率为79.6%）。相比于先前报道的采用MnS基和其他金属硫化物阳极材料的SICs，Se-MnS@CNFs//NC SIC展现出一定的优势。这项研究为非金属原子掺杂MnS的探索提供了新的视角，并为设计先进储能系统的快速动力负极提供了一种有效的方法。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113055
人物简介：
李少慧，郑州大学材料科学与工程学院副教授，主要研究方向聚焦于电化学储能与节能器件新型电极材料的设计、制备及机理解析，涵盖锂/钠/锌离子电容器及电致变色器件等领域。至今，以一作或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等材料学科高水平TOP期刊上发表学术论文30余篇，他引5000余次，H指数31，主持国家级和省部级科研项目3项，横向项目1项。担任国产期刊Nano-Micro Letters青年编委，荣获Wiley中国开放科学2023年度作者奖等荣誉。
侯玉亮，副教授，博/硕士生导师，郑州大学新能源汽车与运载技术研究副所长，主要从事复合材料和结构力学行为分析与设计研究工作。先后主持国家自然科学基金项目2项、军口国家级基础科研项目子任务1项、中国博士后面上项目2项、其他省部级科学基金4项，并承担多项军工院所委托横向课题。相关研究成果共发表SCI及EI论文60余篇（一作/通讯32篇），授权发明专利9项，获中国机械工业科学技术二等奖1项，河南省科技进步二等奖1项，河南省教育厅科技成果一等奖3项，河南省机械工业科学技术一等奖1项等。
高林，湖北汽车工业学院副教授，硕士生导师，华中科技大学博士，长期从事电池材料的开发及其在储能领域方向研究，包括材料可控制备、结构表征、储能机制分析、电化学性能提升等方面，及器件在有机体系锂/钠离子电池及水系锌离子电池的应用。先后主持及参与国家自然科学基金，湖北省自然科学基金等多项。授权国家发明专利14项，以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater, Compos Part B-Eng, Chem. Eng J, Rare Metals, Small等国际高水平期刊发表SCI论文70余篇。
