高效储能材料与技术团队在钠离子宽温电池领域取得重要进展。团队博士研究生李天琳（导师：隋艳伟教授、赵丹阳副教授）以第一作者身份在国际顶级期刊《Nano-Micro Letters》（IF=36.3）发表题为Quantum-Size FeS₂ with Delocalized Electronic Regions Enable High-Performance Sodium-Ion Batteries Across Wide Temperatures的学术论文。该研究设计的量子尺寸过渡金属硫化物具有电荷离域、富集非配位电子和短程转移动力学的独特优势，FeS₂ QD/MXene负极应用于钠离子电池，在宽温度条件下（-35至65℃）展现出优异的电化学性能和离子传输效率，成功解决了钠离子电池在宽范围温度下性能衰减的关键难题，为发展宽温域、高能量密度的钠电技术提供了新思路。
Fig. a Schematic illustration of synthesis process about FeS₂ QD/MXene. b Schematic representation of the optimization mechanism of the quantum size effect. c TEM image, d SAED pattern, e HRTEM image of FeS₂ QD/MXene.
核心创新：量子尺寸诱导电荷离域与高效离子传输
✅ 量子尺寸效应解锁边缘活性：创新性地设计并制备了量子尺寸的FeS₂量子点。理论计算与实验表征证实，其边缘丰富的非配位硫原子诱导产生离域电子区，显著提升钠离子扩散动力学。
Fig. a XRD patterns and b raman spectra, c high-resolution XPS spectra of Fe 2p and d electron paramagnetic resonance images of MXene, FeS₂/MXene, Fe²⁺/MXene and FeS₂ QD/MXene. e The normalized K-edge XANES and f FT-EXAFS in R space for FeS₂/MXene, FeS₂ QD/MXene and Fe foil. g-h Wavelet transforms for the k3- weighted EXAFS signals of FeS₂/MXene and FeS₂ QD/MXene. i Electrostatic potential diagrams of FeS₂ and FeS₂ QD.
✅ 三维MXene骨架稳定赋能：利用Fe²⁺诱导MXene自组装形成三维多孔导电骨架。该骨架不仅有效抑制了高活性FeS₂ QD的团聚，并通过Fe-O-Ti强界面键合确保了电极结构稳定性，同时提供了高效的电子传输网络和离子扩散通道。
✅ 宽温域性能突破：得益于离域电子区的快速电荷转移动力学和稳定三维结构，FeS₂ QD/MXene负极在-35℃至65℃的极端宽温范围内展现出卓越性能：
• 超低温性能：在-35℃、0.1 A g⁻¹下循环100次后容量高达255.2 mAh g⁻¹。
• 高温性能：在65℃、0.1 A g⁻¹下循环100次后容量达424.9 mAh g⁻¹。
• 长循环稳定性：在25℃、1 A g⁻¹高倍率下循环2500次后仍保持370.1 mAh g⁻¹的可逆容量。
• 全电池验证：与Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP)正极匹配的全电池在-35℃、0.1C下实现162.4 Wh kg⁻¹高能量密度。
Fig. a CV curves at 0.1 mV s⁻¹ in 0.01-3.0 V of FeS₂ QD/MXene. b GCD curves at first cycle and c cycle performance at 0.1 A g⁻¹ at different temperatures. GCD profiles for first five cycles at 0.1 A g⁻¹ at d -35℃, e 25 ℃ and f 65℃. g Rate capability at increasing current densities at different temperatures. h Cycling performance at 1.0 A g⁻¹. i Comparison of performance of FeS₂ QD/MXene with the reported TMDs-based anode for SIBs at room temperature and j wide-temperature.
机制解密：离域电子与短程动力学的协同
• 电荷离域加速扩散：量子尺寸FeS₂边缘的非配位硫原子形成高负电性区域，成为Na⁺的优先强吸附位点，并显著扩大电荷离域范围，有效降低Na⁺迁移阻力。
• 赝电容行为主导：丰富的边缘活性位点和强界面耦合促使电极反应动力学由扩散控制转向赝电容行为主导，赋予材料优异的倍率性能和快速响应能力。
• 界面耦合稳定结构：Fe-O-Ti化学键合构建的强界面耦合有效缓冲了FeS₂在充放电过程中的体积变化，并抑制多硫化物穿梭效应，保障了电极的长循环稳定性和宽温适应性。
• 高效短程传输：量子点结构缩短了离子传输距离，三维MXene骨架优化了离子/电子传输路径，显著提升了低温下的离子电导率。
Fig. a Ex situ XRD, b ex situ Raman spectra, c-d ex situ TEM images and e-f ex situ XPS of FeS₂ QD/MXene electrodes at different discharge/charge voltages at first cycle. g The schematic illustration of sodium storage mechanism based on FeS₂ QD/MXene electrode. h-i Work functions and j 2D charge difference plots of FeS₂ and FeS₂ QD structures.
结论
本研究成功构建了一种具有独特离域电子区的增强离子扩散能力的FeS₂量子点/MXene (FeS₂ QD/MXene)负极材料，用于实现宽温域下的高性能钠存储。DFT计算表明，量子尺寸效应富集了FeS₂边缘的非配位中心，在原子尺度上促进了电荷离域，并优化了电子结构以加速电荷传输。此外，三维骨架与FeS₂量子点的紧密连接，赋予了材料优异的分散性和高度稳定的电极结构，有效缩短了离子传输距离并促进了电子转移。
得益于理想的边缘电子浓度和强界面耦合作用，FeS₂ QD/MXene负极在-35℃和65℃下循环100次后，分别展现出255.2 mAh g⁻¹和424.9 mAh g⁻¹的高可逆容量。此外，基于该负极与NVP正极组装的FeS₂ QD/MXene//NVP全电池在循环100次后，容量保持率达到71.5%，彰显了其在宽温域实际应用中的巨大潜力。本研究不仅为Na⁺高效存储与传输机制提供了深入见解，同时也为其他过渡金属硫化物基材料提供了一种普适性策略。通过阐明量子尺度结构设计与电子离域的关键作用，本工作为开发宽温域应用的高能量密度钠储能器件提供了可能。
【团队导师简介】
隋艳伟
教授/博士生导师
中共党员，教授、博士生导师。2009年于哈尔滨工业大学获得博士学位，同年进入中国矿业大学工作，2017年在奥克兰大学访学。主要从事新能源新材料研究工作。主持和参与国家重点研发计划项目、GF重点项目、国家自然基金重点项目/面上项目等，主持其它纵向项目近20项；完成企业委托项目40余项，使得企业增效数十亿元；发表SCI文章250余篇，发明专利70余项；获得省部级科技进步一等奖2项；主编专著2部；兼任中国化工学会理事、中国热处理学会理事、中国铸造学会理事、江苏省铸造学会副理事长、江苏省储能专委会秘书长等。
赵丹阳
副教授/硕士生导师
中共党员，山东大学工学博士，副教授、硕士生导师，江苏省“双创博士”“科技副总”。2021年12月进入中国矿业大学材料与物理学院从事教学科研工作，主要从事先进电化学储能器件关键电极材料结构调控及电化学性能研究。目前主持国家自然科学基金青年基金1项，江苏省青年基金1项，已在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Nano Energy、Small等期刊发表SCI论文20余篇，获江苏省材料学会研究生教学成果奖特等奖1项，授权发明专利1项。
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