钠-硒（Na–Se）电池因硒具有较高的理论体积容量（3253 mAh cm⁻³）和导电性（~10⁻⁴ S m⁻¹），被视为极具前景的储能体系。其中，硒化聚丙烯腈（SePAN）因共价C–Se键合构型可有效抑制多硒化物的溶解穿梭效应，被认为是最具潜力的Na–Se电池正极材料之一。然而，SePAN本征导电性极差（~10⁻⁶ S cm⁻¹量级），在高面载量下，厚电极内部电子/离子传输迟缓，导致活性物质利用率低、倍率性能差、循环衰减快，严重制约了其走向实用化。
本文，东南大学汪涛副教授、吴宇平教授在《Journal of Materials Chemistry A》期刊发表题为”Rapid electron/ion transport in a 3D holey graphene aerogel framework toward high-loading Na–Se batteries”的研究论文。研究提出了一种自支撑SePAN@三维多孔石墨烯气凝胶（3DHG）正极的设计策略，将SePAN与H₂O₂刻蚀制备的三维多孔石墨烯气凝胶骨架集成，构建了兼具高速电子传导和高效离子扩散通道的3D互连网络。
该设计使SePAN的电子电导率提升近五个数量级（达1.33 × 10⁻¹ S cm⁻¹），同时H₂O₂刻蚀纳米孔为Na⁺提供了丰富的扩散通道。原位EIS结合弛豫时间分布（DRT）分析揭示了多孔结构在整个充放电过程中电荷转移阻抗和扩散阻抗的显著降低。基于该策略，SePAN@3DHG正极在超高面载量13.2 mg cm⁻²下实现了361.6 mAh g⁻¹的高可逆容量，并在~6 mg cm⁻²高面载量下1C循环2000圈后保持226.8 mAh g⁻¹的容量。
图1、 (a) Schematic of the preparation of the SePAN@3DHG aerogel electrode. (b and c) TEM images of HGO sheets. (d) Cross section SEM image of the SePAN@3DHG composite (inset: digital photograph of the SePAN@3DHG composite). (e) High-resolution SEM image of the SePAN@3DHG composite. (f) N2 adsorption/desorption isotherms and (g) the corresponding pore size distributions of 3DHG, 3DG and the SePAN@3DHG composite. (h) TGA curves of SePAN powder, CPAN and the SePAN@3DHG composite.
综上所述，本文合理设计了一种三维多孔石墨烯气凝胶骨架作为SePAN的载体，从而构建了专为高负载量钠-硒电池设计的自支撑型SePAN@3DHG阴极。SePAN独特的C–Se共价键结构有效抑制了多硒化物的形成，从而确保了较高的电化学稳定性。相互连接的3D石墨烯骨架建立了连续的导电通路，并扩大了有效的电子转移界面，使SePAN@3DHG的电子导电性比SePAN提高了五个数量级。重要的是，通过H₂O₂蚀刻在石墨烯片上的纳米级孔隙产生了丰富的垂直钠扩散通路，有效缩短了离子传输距离，从而增强了电极内的物质传输动力学。因此，SePAN@3DHG展现出卓越的高负载性能。即使在13.2 mg cm⁻²的超高负载下，其经过100次循环后仍保持361.6 mAh g⁻¹的可逆容量。与此同时，SePAN@3DHG 即使在约 6 mg cm⁻² 的严格负载量和 1C 的高倍率条件下，仍展现出超过 2000 次循环的耐久性。本研究提出了一种电子/离子协同传输框架，为高能量密度钠基电池先进高负载电极的理性设计提供了新的见解。
文献：https://doi.org/10.1039/D6TA01655C
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