哈工大王振波&深圳大学隋旭磊,最新Angew:10000次循环后容量保持率达90%

研究内容

钠离子混合电容器（SHCs）因其兼具电池的高能量密度与超级电容器的高功率密度和长循环寿命而备受关注，在大规模储能、电动汽车等领域具有广阔前景。然而，其实际应用仍受限于阳极中钠离子扩散动力学缓慢这一关键瓶颈。传统单原子位点虽然能提升钠离子吸附能力，但其局域的d轨道常导致钠离子结合过强，造成离子脱附与迁移困难，严重制约了材料的倍率性能与循环稳定性。因此，如何从电子结构与离子传输路径两方面协同优化，成为突破钠离子存储动力学限制的核心挑战。

2026年2月5日，哈尔滨工业大学王振波教授、深圳大学隋旭磊副教授在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“FeCoN₆ Sites Unlock Superior Sodium‐Ion Storage Through Synergizing Capture‐Release and Orbital‐Mediated Charge Delocalization”的研究论文。该研究创新性地构建了异核FeCo双原子位点（FeCoN₆），通过其固有的功能差异化活性位点与轨道介导的电荷离域效应的双重协同机制，显著提升了钠离子的存储动力学与结构稳定性。

研究团队采用模板辅助热解法成功制备了FeCo-N-C材料，并通过球差校正高角环形暗场扫描透射电镜确认了Fe-Co双原子对在氮掺杂碳基体中的原子级分散。X射线吸收光谱与扩展边X射线吸收精细结构分析表明，Fe与Co之间形成了稳定的FeCoN₆配位结构，Fe-Co距离约为2.40 Å，且不存在金属团簇，证实了双原子位点的成功构建。

理论计算与实验表征共同揭示了FeCoN₆位点的协同作用机制：一方面，Fe与Co因其电子结构差异，自然形成了强吸附-弱释放的功能差异化活性位点，Fe位点负责高效捕获Na⁺，相邻Co位点则利于Na⁺的低能迁移与脱附，构成了分步式的离子捕获-释放路径；另一方面，Fe与Co之间的d-d轨道强耦合诱导了轨道介导的电荷离域效应，使体系的d带中心下移，适度削弱了Na⁺的结合能，同时离域的电子云作为电荷缓冲层，增强了氧化还原过程中的电荷补偿能力，促进了表面主导的赝电容行为。

电化学测试表明，FeCo-N-C阳极表现出优异的储钠性能：在0.025 A g⁻¹电流密度下可逆容量达351 mAh g⁻¹，即使在10 A g⁻¹的高倍率下仍保持225 mAh g⁻¹，显著优于单原子Fe-N-C、Co-N-C及纯N-C材料。动力学分析显示其储钠过程以赝电容行为主导（贡献度达85%），钠离子扩散系数高达5.1×10⁻¹¹ cm² s⁻¹，电荷转移电阻仅为23.5 Ω，体现了极快的离子与电子传输能力。此外，FeCo-N-C阳极在1.0 A g⁻¹下循环4500次后容量保持良好，展现出卓越的长循环稳定性。

将FeCo-N-C阳极与活性炭阴极组装的钠离子混合电容器在全电池中同样表现突出：其在23 W kg⁻¹功率密度下能量密度达165 Wh kg⁻¹，在高达9424 W kg⁻¹的功率密度下仍能保持108 Wh kg⁻¹的能量输出，且在1.0 A g⁻¹下循环10000次后容量保持率达90%。该工作不仅开发出一种高性能钠离子存储材料，更通过电子结构调控与离子路径设计的双重协同策略，为下一代高功率、长寿命储能材料的设计提供了新范式。

研究亮点

1、通过功能差异化活性位点构建捕获/释放离子路径，结合轨道介导电荷离域效应优化钠离子吸附与迁移动力学。

2、阳极在10 A g⁻¹高倍率下容量保持225 mAh g⁻¹，钠离子扩散系数达5.1×10⁻¹¹ cm² s⁻¹，电荷转移阻抗显著降低。

3、组装的钠离子混合电容器能量密度达165 Wh kg⁻¹，功率密度高达9424 W kg⁻¹，万次循环后容量保持率90%。

图文导读

图1 FeCo-N-C材料合成与结构表征

图2 材料电子结构与配位环境分析 

图3 电化学性能与储能机制 

图4 理论计算揭示协同机制 

图5 全电池器件性能展示

总结与展望

本工作通过理性设计FeCoN₆异核双原子位点，成功耦合了功能差异化活性位点与轨道介导的电荷离域效应，构建了电子-离子协同的钠离子存储新机制。该策略不仅显著降低了钠离子迁移势垒，提升了材料的倍率性能和循环稳定性，更在全电池层面实现了高能量与高功率的优异兼顾。该研究为突破钠离子储能材料的动力学限制提供了新的设计思路，展示了双原子工程在下一代高性能储能器件中的巨大潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202525480

转载自：新能源前沿

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