美国JLG电瓶钠硒电池Se@C正极材料的研究进展与展望
来源：JLG电瓶 2026-03-25 09:24:27 点击：
可充电钠-硒电池因其高达1270Whkg<sup>-1</sup>的理论能量密度，已成为锂离子电池极具前景的替代选择−1)及其成本优势。然而，其实际应用面临诸多挑战，例如有限的重量容量与不足的循环稳定性，这两大瓶颈必须被攻克才能实现商业化。具体而言，不足的重量容量直接导致能量密度受限，这对替代锂离子电池构成重大障碍。为突破这些限制并推动钠硒电池应用，各类具有高氧还原反应(ORR)和析氧反应活性的碳基正极材料已被深入研究，并展现出增强的电化学性能。遗憾的是，如何合理设计与合成兼具高ORR活性、优良电子传导性及适当电化学稳定性的正极催化剂，目前仍存在显著挑战。本文综述了作为高性能钠硒电池正极材料的碳材料种类及其复合物的理性设计路径，并基于各部件性能与可靠性的优化，提出了进一步提升钠硒电池整体电化学性能的展望与挑战。本工作为设计超高活性正极催化剂及开发高性能钠硒电池提供了理论依据。
随着环境污染日益加剧和化石燃料的快速枯竭，对廉价且环境友好的能源需求迫在眉睫。因此，鉴于我们对先进技术日益增长的依赖，开发极高效率的储能反应至关重要。目前已有多种可行的储能技术，这些技术可直接以电场形式存储电能，或以动能、化学能、潜热等分离形式的能量进行存储[[1], [2], [3], [4], [5]]。众所周知，传统可充电锂离子电池（LIBs）因其清洁高效特性已广泛应用于日常生活，如电子设备、电动汽车和电力系统。其中，锂硫（Li-S）和锂硒（Li-Se）电池因其高能量密度和环境友好性，在过去数十年间备受关注。然而，锂离子电池存在两个可能阻碍其发展的问题：首先是全球锂资源储量有限；其次是锂离子电池无法满足更高容量的需求，这一需求源于对更多电力存储系统的需求。由于碳中和目标的持续推进，需要更多太阳能、风能等可再生能源，因而间接催生了对更多能源系统的需求。与锂离子电池（LIBs）相比，钠离子电池（SIBs）在电网储能领域更具应用潜力，因为该场景下循环寿命比重量/体积更为关键。
可充电电池由正极、负极、隔膜和电解液组成，这些部件共同影响着电池的电化学性能。众所周知，若能将正负极材料的比容量提升50%，这类电池的功率密度将分别提高13%和28%，这凸显了提升正极材料效率的至关重要性[[6], [7], [8], [9], [10]]。因此，开发先进正极材料是应对这些挑战的关键。理想的硒正极宿主材料需兼具优良导电性、强物理封装能力以及对多硒化物的强吸附特性。通常而言，对碳基体进行化学改性既可提升导电性和活性位点，又能降低电荷转移阻抗。
为应对锂资源短缺问题，研究者们将目光转向与锂同族的元素钠(Na)。因此，钠硫(Na-S)和钠硒(Na-Se)电池体系得到广泛研究，其中钠硒电池因其更环保的特性受到极大关注。相较于硫，硒具有更高电子导电率和更低电负性等优势，这些特性有利于电荷载流子迁移和键极化。此外，钠(Na)因其储量丰富且成本低廉，成为硒基电池极具吸引力的负极材料选择，这可以抵消硒(Se)价格高昂且储量有限的缺点。值得注意的是，硒在钠电池体系中表现出优异的电化学活性，并能与钠发生放电反应生成Na2硒的周围环境温度可提供高容量输出。因此，用钠替代锂是一种提升硒基储能系统可行性的有效策略。钠-硒系统通过显著降低整体器件成本，展现出广阔的应用前景。与硫相比，硒具有更高密度、更优电子导电性及更低毒性等核心优势，但在硒基储能系统的实际应用中仍需解决其他潜在问题[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。尽管钠元素和硒元素具备诸多优势，实际应用中仍存在许多待攻克的技术难题。例如，钠的沉积2硒（Se）中间态多硒化物的腐蚀、穿梭效应以及充放电过程中剧烈的体积膨胀会严重损害循环稳定性和库仑效率[17]。针对这些问题的主要缓解策略包括：将高阶多硒化物限域于多孔宿主材料中，从而增强硒物种与基体间的化学键合力；或通过调控表面化学反应生成难溶性低阶硒化物。目前最有效的方法是通过多孔碳封装硒或利用化学键稳定硒[18,19]。在这些硒限制策略的基础上，我们发现与非水体系中的氧还原反应（ORR）电催化存在重要相似性。钠硒电池中的硒宿主材料必须满足以下要求：首先是设计孔道结构以实现对多硒化物的物理限制；其次是通过调控表面官能团（如氮/氧掺杂）形成强Se-C/N/O键；第三是控制界面电荷转移以促进其转化为稳定的Na2Se。2硒2/钠2硒。这种材料设计理念反映了氧还原反应电催化剂与先进硒宿主之间的共同原理：二者均需同步优化物理限域与化学键合环境，以稳定活性中间体并提升反应动力学。近期关于非质子性钠氧电池中氧还原反应的研究进一步证实了钠基体系中这些机理的相似性[20]。2 batteries further demonstrate these mechanistic parallels in sodium-based systems [20].
硒阴极与多种碳材料（包括球形碳[21,22]、纤维状碳[23,24]和三维（3D）纳米结构碳[25,26]）复合时，展现出提升的电子电导率与离子电导率，这种协同效应可显著增强循环稳定性与库伦效率。更高的理论容量与能量密度、优异的倍率性能与导电性、更稳定的循环性能以及与固态电解质更好的兼容性，使"Se@C"成为高能量长循环电池的理想平衡选择，特别是在对导电性和倍率性能要求严苛的领域[27,28]。然而，目前硒/碳复合材料通常采用以单质硒和碳为原料的气相渗透法进行合成。由于碳基质的可用性有限且难以去除过量的硒元素所形成的团聚颗粒，碳基质时常未能得到充分利用。因此，亟需开发一种清洁高效的制备方法以促进储钠用硒/碳复合材料的生产。
本文概述了钠硒电池领域最前沿的研究进展。过去几十年来，具有不同维度（0D、1D、2D和3D）的纳米材料对硒电池的发展做出了重要贡献[[29], [30], [31]]。然而，针对钠硒电池体系中碳材料的综述文章却鲜见报道与讨论。碳材料在抑制储能系统（尤其是锂硫电池和钠硒电池）中的穿梭效应方面发挥着关键作用。其多功能特性通过以下关键机制应对这一重大挑战：物理限域作用、化学锚定效应、导电网络优化、催化转化反应以及体积变化适应。目前尚无综述论文深入探讨钠硒电池体系中各类碳基宿主材料的最新研发进展。本文首先系统介绍了多种碳材料硒载体的类型，进而阐述了碳基宿主材料合成技术的最新发展成果。其次，对钠硒电池中先进硒电极的新兴需求进行了分析与展望。最后，针对未来钠硒电池的发展方向提出了若干创新性见解。
引言
可充电电池由正极、负极、隔膜和电解液组成，这些部件共同影响着电池的电化学性能。众所周知，若能将正负极材料的比容量提升50%，这类电池的功率密度将分别提高13%和28%，这凸显了提升正极材料效率的至关重要性[[6], [7], [8], [9], [10]]。因此，开发先进正极材料是应对这些挑战的关键。理想的硒正极宿主材料需兼具优良导电性、强物理封装能力以及对多硒化物的强吸附特性。通常而言，对碳基体进行化学改性既可提升导电性和活性位点，又能降低电荷转移阻抗。
为应对锂资源短缺问题，研究者们将目光转向与锂同族的元素钠(Na)。因此，钠硫(Na-S)和钠硒(Na-Se)电池体系得到广泛研究，其中钠硒电池因其更环保的特性受到极大关注。相较于硫，硒具有更高电子导电率和更低电负性等优势，这些特性有利于电荷载流子迁移和键极化。此外，钠(Na)因其储量丰富且成本低廉，成为硒基电池极具吸引力的负极材料选择，这可以抵消硒(Se)价格高昂且储量有限的缺点。值得注意的是，硒在钠电池体系中表现出优异的电化学活性，并能与钠发生放电反应生成Na2硒的周围环境温度可提供高容量输出。因此，用钠替代锂是一种提升硒基储能系统可行性的有效策略。钠-硒系统通过显著降低整体器件成本，展现出广阔的应用前景。与硫相比，硒具有更高密度、更优电子导电性及更低毒性等核心优势，但在硒基储能系统的实际应用中仍需解决其他潜在问题[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。尽管钠元素和硒元素具备诸多优势，实际应用中仍存在许多待攻克的技术难题。例如，钠的沉积2硒（Se）中间态多硒化物的腐蚀、穿梭效应以及充放电过程中剧烈的体积膨胀会严重损害循环稳定性和库仑效率[17]。针对这些问题的主要缓解策略包括：将高阶多硒化物限域于多孔宿主材料中，从而增强硒物种与基体间的化学键合力；或通过调控表面化学反应生成难溶性低阶硒化物。目前最有效的方法是通过多孔碳封装硒或利用化学键稳定硒[18,19]。在这些硒限制策略的基础上，我们发现与非水体系中的氧还原反应（ORR）电催化存在重要相似性。钠硒电池中的硒宿主材料必须满足以下要求：首先是设计孔道结构以实现对多硒化物的物理限制；其次是通过调控表面官能团（如氮/氧掺杂）形成强Se-C/N/O键；第三是控制界面电荷转移以促进其转化为稳定的Na2Se。2硒2/钠2硒。这种材料设计理念反映了氧还原反应电催化剂与先进硒宿主之间的共同原理：二者均需同步优化物理限域与化学键合环境，以稳定活性中间体并提升反应动力学。近期关于非质子性钠氧电池中氧还原反应的研究进一步证实了钠基体系中这些机理的相似性[20]。2 batteries further demonstrate these mechanistic parallels in sodium-based systems [20].
硒阴极与多种碳材料（包括球形碳[21,22]、纤维状碳[23,24]和三维（3D）纳米结构碳[25,26]）复合时，展现出提升的电子电导率与离子电导率，这种协同效应可显著增强循环稳定性与库伦效率。更高的理论容量与能量密度、优异的倍率性能与导电性、更稳定的循环性能以及与固态电解质更好的兼容性，使"Se@C"成为高能量长循环电池的理想平衡选择，特别是在对导电性和倍率性能要求严苛的领域[27,28]。然而，目前硒/碳复合材料通常采用以单质硒和碳为原料的气相渗透法进行合成。由于碳基质的可用性有限且难以去除过量的硒元素所形成的团聚颗粒，碳基质时常未能得到充分利用。因此，亟需开发一种清洁高效的制备方法以促进储钠用硒/碳复合材料的生产。
本文概述了钠硒电池领域最前沿的研究进展。过去几十年来，具有不同维度（0D、1D、2D和3D）的纳米材料对硒电池的发展做出了重要贡献[[29], [30], [31]]。然而，针对钠硒电池体系中碳材料的综述文章却鲜见报道与讨论。碳材料在抑制储能系统（尤其是锂硫电池和钠硒电池）中的穿梭效应方面发挥着关键作用。其多功能特性通过以下关键机制应对这一重大挑战：物理限域作用、化学锚定效应、导电网络优化、催化转化反应以及体积变化适应。目前尚无综述论文深入探讨钠硒电池体系中各类碳基宿主材料的最新研发进展。本文首先系统介绍了多种碳材料硒载体的类型，进而阐述了碳基宿主材料合成技术的最新发展成果。其次，对钠硒电池中先进硒电极的新兴需求进行了分析与展望。最后，针对未来钠硒电池的发展方向提出了若干创新性见解。