FeS2＠C納米盒子負極材料用於設計高性能的鈉離子電池

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鈉離子電池由於具有成本低、安全性高等優點，有望在未來替代鋰離子電池用於設計大規模的儲能系統。目前，發展一種高容量、長循環以及高倍率性能的負極材料仍然是一個挑戰。黃鐵礦（FeS2）具有較高的理論儲鈉容量（894 mAh?g-1），近年來受到研究人員的廣泛關注，被視為一種理想的鈉離子電池負極材料。然而，FeS2作為負極材料在循環過程中體積膨脹嚴重，導致電池容量急劇衰減，大大制約了其實際應用。

近日，韓國漢陽大學的Ungyu Paik教授和新加坡南洋理工大學的樓雄文教授（共同通訊作者）團隊合作，採用一種簡單的化學刻蝕和氣相硫化相結合的方法（圖1），製備了具有獨特核殼結構的FeS2@C納米盒子，改變刻蝕時間可以調控FeS2核與C殼層之間的距離，為解決上述問題提供了新的策略（圖2）。

圖1. FeS2@C納米盒子合成的示意圖。

圖2. 未經刻蝕獲得的FeS2@C-0（a-d, g）和刻蝕45 min獲得的FeS2@C-45（e, f, h）納米盒子的TEM（a-f）和EDS（g, h）圖像。

該方法製備核殼結構的FeS2@C-45納米盒子表現出優異的儲鈉性能——高容量、高倍率以及長循環：電流密度為100 mA?g-1時，容量為511 mAh?g-1；電流密度為5.0 A?g-1時，容量保持在403 mAh?g-1；電流密度為2.0 A?g-1時，循環800圈後仍具有330 mAh?g-1的容量（圖3）。增強的電化學性能主要來源於FeS2@C-45納米盒子的獨特核殼結構，其中碳層可以顯著提高材料的導電性，兩者之間的空隙則能夠有效抑制FeS2的體積膨脹、緩解機械應力。

圖3.（a, b）FeS2@C-45納米盒子的CV和充放電曲線；（c-e）FeS2@C-0和FeS2@C-45納米盒子的倍率性能（c）和循環性能（d, e）的比較。

該研究為解決過渡金屬硫化物基鈉離子電池負極材料存在的倍率性能和穩定性差等問題提供了一條全新的解決思路，對發展高性能的鈉離子電池具有重要的意義。相關工作發表在Energy & Environmental Science上。

該論文作者為：Zhiming Liu, Tianchi Lu, Taeseup Song, Xin-Yao Yu, Xiong Wen (David) Lou, Ungyu Paik

Structure-designed synthesis of FeS2@C yolk–shell nanoboxes as a high-performance anode for sodium-ion batteries

Energy Environ. Sci.,2017,10, 1576, DOI: 10.1039/C7EE01100H

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