耶魯大學EnSM：天然磁黃鐵礦直接用于儲能

【導讀】

在當代新能源大發展的背景下，儲能材料需求暴增。而在得到電極材料之前，化學品需要經歷礦物冶煉、提純、化學合成等等過程。大規模的精煉與合成勢必會造成嚴重的污染排放與環境問題。如果能直接把天然礦物拿來做成電池，不僅降低了成本，而且讓儲能器件本身也和其所儲存的能量一樣綠色可持續。然而這一概念極具挑戰性，因為大部分天然礦物都是電化學惰性的，并且所制成的電池會隨著充放電循環迅速衰減。

【成果掠影】

最近，耶魯大學的王泓民等人研究了天然磁黃鐵礦（Fe_1-xS，一種常見的低成本礦石）在鋰離子電池中的衰減機理并且提出了可以穩定其性能的行之有效的方案，同時避免了引入化學合成。研究表明，磁黃鐵礦在充放電循環中的快速衰減源于放電產物（Fe與Li₂S）的相分離以及充電產物Feⁿ⁺在電解液中的溶解流失。作者通過控制電極材料中導電碳的含量以及充放電電壓區間，在不引入化學合成的前提下將磁黃鐵礦的循環穩定性從3圈提升到了100圈。優化后的磁黃鐵礦電極在1 A/g的電流密度下展現出519 mAh/g的初始容量，并且在循環100圈后仍然保留了第二圈容量的80%。相關成果以“Exploring the Potential of Natural Pyrrhotite Mineral for Electrochemical Energy Storage”發表在Energy Storage Materials上。耶魯大學的王泓民為論文的第一作者兼通訊作者。

【核心創新點】

證明了天然礦物作為一種低成本、環境友好型的材料不經過化學合成直接用于電化學儲能的可行性。

【數據概覽】

圖1. 天然磁黃鐵礦的物理純化及結構表征?2022 Elsevier B.V.

圖2. 磁黃鐵礦-鋰半電池的電化學表征 ?2022 Elsevier B.V.

圖3. 磁黃鐵礦的容量衰減機理研究?2022 Elsevier B.V.

圖4. 摻碳后的磁黃鐵礦-鋰半電池的電化學表征?2022 Elsevier B.V.

圖5. 摻碳后的磁黃鐵礦衰減機理研究?2022 Elsevier B.V.

圖6. 控制充放電電壓區間以穩定磁黃鐵礦/碳電極?2022 Elsevier B.V.

【成果啟示】

本篇工作證明了天然礦物作為一種低成本、環境友好型的材料不經過化學合成直接用于電化學儲能的可行性。這篇工作對于磁黃鐵礦容量衰減的機理研究暗示了更多提升其循環穩定性的可能。例如，本工作發現的Feⁿ⁺溶解流失機理與文獻中FeF₂的衰減機理如出一轍，而后者已被證實可以通過引入固態電池的方式提升穩定性。天然礦物作為一種最原始，最簡單但也最不簡單的材料，如何將其直接應用反映出一種“返璞歸真，大道至簡”的自然哲學。

第一作者：王泓民

通訊作者：王泓民

通訊單位：耶魯大學化學系，耶魯大學能源科學研究所

論文doi：10.1016/j.ensm.2022.10.058