近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授团队在钠离子电池研究方面取得进展，相关成果以“Combined intercalation and space-charge mechanism enabled high-capacity, ultrafast and long-lifespan sodium-ion storage for chalcogenides anodes”为题，于2025年1月7日在线发表至《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/D4EE03217A)。
钠离子电池被视为大规模固定式能源存储系统中极具潜力的技术，能够促进清洁能源的有效利用。不过，由于氧化还原化学反应的局限性，当前的钠离子电池难以同时兼顾高容量、快速充放电性能以及长循环寿命。传统的插层化合物由于存储空间有限，已逐渐达到理论容量极限。转换反应和合金基阳极材料虽能提供高理论容量，但存在结构变形和体积膨胀问题，导致不可逆容量损失。因此，探索超越传统反应机制的新型电化学反应机制，对于加速钠离子电池技术的快速发展具有至关重要的意义。
针对上述问题，杜菲教授团队在过渡金属二硫化物（TMDs，MX₂，其中M代表Ti、Nb和Ta，X代表S和Se）中观察到一种Cu-溶剂自发共插层过程，并在电化学循环中解锁了一种全新的插层和空间电荷离子存储机制。这种独特机制通过将Na离子插层到TMDs的层状晶格中，以及在放电过程中形成的Cu纳米颗粒表面通过空间电荷机制吸附大量Na离子，实现了高效的离子存储。这一独特机制赋予了材料705 mAh g⁻¹的高比容量，在75 A g⁻¹的极高电流密度下仍可维持116 mAh g⁻¹的比容量，以及超过一年的超长循环寿命。当与NVP正极材料配对时，全电池展现出优异的倍率性能，能够在256.4 C的极高倍率下运行，并具备高达17453 W kg⁻¹的高功率密度。其耐用性同样出色，在10 A g⁻¹的高电流密度下可稳定循环超过53000次。这种插层和空间电荷化学机制不仅显著提升了NbS₂的性能，还进一步增强了其他TMDs材料，如NbSe₂、TiS₂和TaS₂的卓越性能。这得益于插层机制的出色可逆性与空间电荷反应的高容量和超快动力学的完美结合。研究人员坚信，这种开创性的机制可以推广到广泛的插层材料中，并为锂离子电池、钾离子电池等其他类型的离子电池提供了新的设计思路。这不仅为开发具有新型电池氧化还原机制的电极材料开辟了创新的视野，还为通过结合有效的预钠化策略实现这些材料的实际应用带来了新的机遇。
文章第一作者为吉林大学物理学院博士生潘飞龙。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、谢禹教授、姚诗余教授和魏芷宣教授。该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金和吉林省科技厅的大力支持。
全文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE03217A
