研究背景：
金属硒化物由于具有较高的理论容量，作为电池阳极材料受到了广泛的关注。然而，它们显著的体积膨胀和缓慢的离子迁移速率导致循环稳定性差和次优速率性能。因此，研究人员开始开发一种可以同时用于两种类型电池的共用阳极材料来研究锂离子电池和钠离子电池的功率密度和循环性能。
文章概述：
近期，长春工业大学吕威教授，王丽莹副教授团队报道了一种基于铁基类超离子导体的高性能锂/钠离子电池阳极的设计和优化。利用多价铁离子构建了类似于超离子导体(Fe-SSC)的快速通道，并引入相应的硒空位来提高其性能。基于第一性原理计算和分子动力学模拟，证明了铁离子的加入和硒空位的存在降低了材料的功函数和吸附能，降低了迁移障碍，提高了Li+和Na+的迁移速率。在锂/钠离子半电池中，在0.1 A g-1下的可逆容量为1048.3 mAh g-1，在200次循环后的电池容量为687.7 mAh g-1。基于Fe-SSC和硒空位的阳极在锂离子电池和钠离子电池中都有很大的应用前景。
图文导航：
图1：Fe-SCC阳极材料的理论计算 (来源：Small Methods)。
基于密度泛函理论（DFT）的计算研究揭示了含有Fe-SCC的阳极材料在锂离子和钠离子储存方面的潜在优越性能。此外，Fe-SCC与石墨烯构建的异质结构显著提升了材料的抗膨胀特性，同时赋予了材料更高的电子能量密度和卓越的抗疲劳性能。
图2：Fe-SCC阳极材料的电化学性能 (来源：Small Methods)。
在理论计算的基础上，研究团队进一步对Fe-SCC阳极材料进行了锂离子和钠离子半电池的组装与性能测试。实验结果显示，在锂离子半电池系统中，该复合材料在0.1 A g-1的电流密度下，经过100次循环后，展现出了1048.3 mAh g-1的可逆容量。而在更高的电流密度5.0 A g-1下，经过1000次循环，其可逆容量依然保持在了483.6 mAh g-1。对于钠离子半电池，在0.1 A g-1的电流密度下，200次循环后的电池容量为687.7 mAh g-1，而在5.0 A g-1的电流密度下，经过1000次循环，电池容量为325.9 mAh g-1。这些实验数据与之前的DFT计算预测相吻合，验证了含有-SCC材料在实际电池应用中的高倍率性能和稳定性。
图3：Fe-SCC阳极材料的机理探究 (来源：Small Methods)。
为了深入理解Fe-SCC阳极材料在电化学过程中的反应机制，研究团队采用了非原位X射线衍射（XRD）技术，分析了锂/钠离子在电池循环过程中与阳极材料相互作用的相变行为。此外，通过分子动力学（MD）模拟计算，研究人员证实了Fe-SCC阳极在离子迁移过程中展现出较低的势垒，并具备更快的离子动力学特性。这些研究结果指出，Fe-SCC阳极材料的设计理念为先进电池储能技术的进步提供了一条切实可行的路径。
该研究获得国家自然科学基金(62004015)和吉林省科学科技厅（20220101235JC）资助，并在研究生李子豪、孟园泽同学及多名合作者的重要支持下完成，谨此感谢。
论文信息：
Design and Optimization of Iron-Based Superionic-Like Conductor Anode for High-Performance Lithium/Sodium-Ion Batteries
Zihao Li, Yuanze Meng, Liying Wang,* Xijia Yang, Yue Yang, Xuesong Li, Yi Jiang, Yang Gao, Wei Lü*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202400843
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