共同第一作者：罗磊、尹伟

通讯作者：史晓艳副教授、王家海教授、孙志鹏教授

通讯单位：广东工业大学材料与能源学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202514126

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针对锂离子电池锂资源稀缺、成本攀升的局限，聚焦钠硒(Na-Se)电池这一极具潜力的钠离子电池分支，其虽因硒正极的高导电性、高理论比容量与体积容量适合紧凑高功率储能场景，却受困于多硒化物穿梭效应、体积膨胀及反应动力学迟缓导致的电化学性能快速衰减问题。为解决这些核心挑战，本研究创新性设计了 HE-Fe₃Se₄/Se/MXene（HE-Fe₃Se₄/Se/MX）复合正极，核心通过 “高熵掺杂 + MXene 载体” 的协同策略，实现钠硒电池电化学性能的突破性提升。

材料合成流程清晰可控：首先通过刻蚀、插层与剥离Ti₃AlC原料，成功制MXene二维材料；随后采用共沉淀法，在 MXene 表面原位生长高熵普鲁士蓝类似物(HE-PBA)前驱体；最后经700℃高温硒化反应，得到目标复合产物。为明确高熵掺杂与MXene基体的单独作用，同步制备了无MXene载体的HE-Fe₃Se₄/Se复合材料、低熵结构的 LE-Fe₇Se₈/Se 复合材料作为对照样品。

材料表征结果显示，XRD、Raman、XPS等证实了HE-Fe₃Se₄与Se的复合相，高熵掺杂促进Se负载与结构稳定，TEM显示复合材料颗粒均匀、元素分布均一，形成MXene、HE-Fe₃Se₄、Se三相异质结构，为电荷转移和离子扩散提供优化界面；电化学性能测试表明，该复合材料在0.1 A g⁻¹时比容量达512 mAh g⁻¹，30 A g⁻¹(300倍电流提升时)仍保持330 mAh g⁻¹，容量保持率达64.4%， 10 A g⁻¹下循环1000次后容量维持337 mAh g⁻¹，每圈衰减率低至0.0106%，2 A g⁻¹下循环1500次容量保持率达96.5%。综上，本研究通过高熵工程与MXene导电骨架的合理整合，成功制备出高性能HE-Fe₃Se₄/Se/MX复合正极，协同解决了Na-Se电池的核心难题，证实了高熵铁基硒化物作为硒宿主的可行性，为先进钠硒电池及其他储能系统中耐用、高倍率电极材料的设计提供了新路径。

背景介绍

随着可再生能源存储与便携式电子技术的快速发展，市场对经济清洁的电能存储方案需求愈发迫切。锂离子电池(LIBs)虽能量密度高、耐用性佳，已广泛应用于多个领域，但锂地壳含量仅0.0065%，资源稀缺且提取精炼成本攀升，限制了其全球规模化应用。在此背景下，钠离子电池(SIBs)因钠地壳含量达2.36 wt.%、成本低廉，且理化性质与锂相似，成为极具潜力的替代方案，在电网级储能领域前景广阔，开发高性能、耐用、安全的室温SIBs成为重要研究方向。钠硒（Na-Se）电池凭借硒正极的高导电性(1×10⁻³ S m⁻¹)、高理论比容量(675 mAh g⁻¹)和出色体积容量(3253 mAh cm⁻³)，有望实现高体积能量密度，适配紧凑高功率储能场景，引发广泛研究关注。然而，硒正极的实际应用面临关键瓶颈：循环过程中钠多硒化物中间体(Na₂Seₓ)易溶解产生穿梭效应，且伴随显著体积膨胀，导致电化学性能快速衰减。为解决这些问题，研究人员探索了多种策略：将硒限制在多孔碳基质中以提升导电性、控制体积应变；利用金属氧化物、硫化物、硒化物等极性材料通过化学吸附固定多硒化物，促进可逆转化反应，提升循环稳定性与库仑效率。其中，过渡金属硒化物(TMSs)兼具多硒化物固定能力与电催化活性，可加速长链多硒化物氧化还原动力学，且自身具备高容量、高导电性与可逆性，是理想的硒宿主材料。在各类TMSs中，Fe₃Se₄因导电性高、理论容量适中，且铁资源丰富、成本低廉备受关注，但此前尚未被用作Na-Se电池阴极的硒宿主基质，相关研究存在空白。

图文解析

1. 高熵掺杂和MXene复合提高物相结构稳定性

采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱（XPS）等多种结构表征技术，对复合材料的晶体结构、元素组成及化学态信息进行了系统表征与分析。多元素掺杂引发的构型熵提升效应，不仅调控了材料的相变热力学行为，更有效促进了硒结合活性位点的生成。基于此，高熵掺杂策略显著提升了材料对Se的负载容量，同时增强了其结构稳定性。扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明，经高熵掺杂与MXene复合改性后的材料，呈现出颗粒尺寸更均一、分散性更优的微观形貌，这一结构特征有利于强化对多硒化钠的吸附性能；透射电子显微镜(TEM)表征进一步证实，材料体系中Se、Fe₃Se₄与 MXene 三相实现了稳定共存。

图1. 材料制备与结构表征

图2. 复合材料的形貌表征

2. 电化学性能提升

通过高熵掺杂精准调控电子结构以及丰富活性位点强化对多硒化物化学吸附;MXene 基体兼具高效导电网络构建与稳固结构支撑功能, 二者的协同作用赋予复合材料优异的电化学性能。HE-Fe₃Se₄/Se/MX复合材料在0.1 A g⁻¹的电流密度下比容量达 512 mAh g⁻¹；30 A g⁻¹时仍保持330 mAh g⁻¹。10 A g⁻¹下循环1000次后容量维持337 mAh g⁻¹，每圈衰减率低至0.0106%，2 A g⁻¹下循环1500次容量保持率达96.5%。此外，其充放电曲线平台清晰稳定，CV 曲线重叠度高，进一步证实了电化学反应的高可逆性与结构稳定性。

图3. 电化学性能图

3.电化学反应动力学提升

通过循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等系统性电化学测试，结合基于密度泛函理论(DFT)的电子态密度(DOS)与离子迁移势垒(Eₐ)理论计算，从实验与原子层面双重证实：HE-Fe₃Se₄/Se/MX复合材料不仅具备更小的极化程度，更能显著减小钠离子迁移势垒、提升钠离子扩散速率，从根本上优化了钠离子储存的电化学反应动力学，为其兼具卓越高倍率性能与超长循环稳定性提供了核心支撑。

图4. 动力学分析图

4.HE-Fe₃Se₄/Se/MX的储钠机理

为系统阐明 HE-Fe₃Se₄/Se/MX 复合材料的储钠本质，本研究通过原位电化学阻抗谱(in-situ EIS)、非原位高分辨透射电子显微镜(ex-situ HRTEM)结合选区电子衍射(SAED)等多种精准表征技术，对材料在充放电周期的储钠反应机理、晶体结构演变展开深入追踪，全面证实了其卓越的反应可逆性、稳固的材料结构稳定性与优异的反应动力学。不仅解析了材料“Se↔Na₂Se”与“Fe₃Se₄↔NaₓFe₃Se₄/Fe⁰”的双协同储钠机理，更从结构演变与界面动力学层面，充分证实了材料在长期循环中兼具高反应可逆性、稳固的结构稳定性与高效的电荷转移能力，为其优异的电化学性能提供了直接的实验支撑。

图5. 复合材料的储钠机理图

致谢

感谢来自国家自然科学基金(Grant No. 22271066)、广东省科学技术协会(No. SKXRC2025380)、广州市科技计划项目(No. 2024A03J0087)的资金支持，以及广东工业大学材料与能源学院提供的分析支持。

原文信息

L. Luo, W. Yin, L. Shao, J. Xu, X. Shi, J. Wang, Z. Sun, Small 2026, DOI: 10.1002/smll.202514126.

通讯作者简介

孙志鹏教授：博士生导师，广东工业大学材料与能源学院副院长，新能源与功能材料实验室负责人，国家级青年人才，江苏省“双创”人才（创新类）。2010年博士毕业于南京航空航天大学，材料加工工程专业；2009年-2014年先后在新加坡国立大学与南洋理工大学从事博士后研究工作；2017年加入广东工业大学材料与能源学院。目前，从事高性能储能器件（超级电容器、锂/钠/钾离子电池）和气体传感器关键技术及关键材料结构设计与功能调控等方面的应用基础研究。以第一/通信作者已在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small等国际刊物上发表SCI学术论文120余篇，出版教材1部，授权国家发明专利 10件。先后主持国家自然科学基金、留学回国人员启动基金和各类省市级项目20余项。Email: zpsunxj@gdut.edu.cn

史晓艳副教授：博士生导师，广东工业大学“青年百人A类”副教授，2018年毕业于新加坡南洋理工大学。2018年至今全职于广东工业大学材料与能源学院工作。长期研究骨架化合物的合成设计与开发应用，相关成果在Angewandte Chemie International Edition、Adv. Energy Mater.、Small等顶级期刊发表论文30余篇，申请国家发明专利（实审）8件。先后主持国家自然科学基金、广东省科技厅、广州市科技厅、广东省教育厅以及重点实验室开放课题等10项。