Energy Environ. Sci.：從結構出發—高性能 FeS2@C納米盒子的鈉離子電池負極材料之路

【引言】

鋰離子電池由于制造成本高，鋰元素來源有限等因素，在電動汽車領域難以大規模商業化使用。相比之下，鈉離子電池（LIBs）以其元素豐富的儲量、環境友好、價格低廉等優點被認為是新型鋰離子電池的理想替代能源。作為LIBs重要組成部分的電極材料，也是目前研究的重中之重。金屬硫化物因其高容量和低成本等優點，成為了能源材料領域研究的熱點。在眾多金屬硫化物當中，FeS₂具有較高的理論容量（894 mAh g^-1）和高度可逆的氧化還原特性，被認為是一種理想的鈉離子電池負極材料。

【成果簡介】

近日，韓國漢陽大學Ungyu Paik教授和新加坡南洋理工大學樓雄文教授（共同通訊作者）團隊合作，從結構設計出發，采用一種簡單刻蝕和硫化相結合的方法，制備了具有核殼結構的納米盒狀FeS₂@C材料。在該材料中，FeS₂具有高容量，碳層可以顯著提高材料的導電性，而兩者之間的空隙則有效抑制物質的體積膨脹，緩解機械應力。當作為鈉離子電池負極材料，它展現出了高容量性能（電流密度 100 mA g^?1時，容量為511 mAh g^?1）、良好的倍率性能（電流密度5.0 A g^?1時，容量403 mAh g^?1）和循環穩定性（在電流密度 2 A g^?1下循環800次后，容量保持為330 mAh g^?1）。該成果以“Structure-designed synthesis of FeS₂@C yolk–shell nanoboxes as a high-performance anode for sodium-ion batteries”為題于2017年5月31日發表在期刊Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖一：核殼結構納米盒狀FeS₂@C制備流程示意圖

i)Fe₃O₄@C立方體的制備；

ii)通過HCl部分刻蝕制備Fe₃O₄@C納米盒子；

iii)高溫硫化制備FeS₂@C納米盒子。

圖二：材料的形貌表征和組分分析

（a）Fe₂O₃立方體的SEM圖像；

（b）核殼結構Fe₂O₃@PDA立方體的SEM圖像；

（c）Fe₃O₄@C-0的SEM圖像；

（d）Fe₃O₄@C-45的SEM圖像；

（e）FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的XRD圖譜；

（f-g）FeS₂@C-0的FESEM圖像；

（h-i）FeS₂@C-45的FESEM圖像。

圖三：不同刻蝕時間對材料內部結構的影響

（a-c）FeS₂@C-0的TEM圖像；

（d）FeS₂@C-0的HR-TEM圖像；

（e-f）FeS₂@C-45的TEM圖像；

（g-h）FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的EDS圖像。

圖四：FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的電化學性能研究

（a）在0.1mV s^?1掃描速度下，FeS₂@C-45的CV曲線；

（b）在100 mA g^?1電流密度下，FeS₂@C-45的充放電曲線；

（c）不同電流密度下FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的倍率性能曲線；

（d-e）在電流密度分別為100 mA g^?1和2 A g^?1時，FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的循環曲線。

【小結】

該研究利用一種簡單刻蝕與硫化相結合的方法成功制備了具有核殼結構的中空FeS₂@C納米盒。當用為鈉離子電池負極材料時，FeS₂@C由于其特殊的內部結構表現出了良好的倍率性能和超長的循環穩定性。值得注意的是，該方法為其他種類金屬硫化物的制備提供了新的思路。

文獻鏈接：Structure-Designed Synthesis of FeS₂@C Yolk–Shell Nanoboxes as A High-Performance Anode for Sodium-Ion Batteries (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee01100h)

本文由材料人編輯部郭靜編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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