北科大连芳教授JMCA封面文章：设计微米FeS2电极材料—同步构建CNT导电网络及保护壳

【引言】

FeS₂成本低廉，储量丰富，理论容量可以达到894 mAh^.g^-1，是高能量密度二次锂离子电池的候选材料。但是FeS₂及其放电产物的电导率较低，而且伴随FeS₂的转换反应出现严重的体积变化以及多硫化物的溶解，导致FeS₂容量迅速衰减。纳米化可以减小充放电过程中材料的体积变化，提高参与储锂反应的活性物质比例。尽管如此，纳米结构会加剧材料相间不利的反应，同时造成体系体积能密度降低，与高能量密度电池的设计要求相差甚远。与之相比，微米级FeS₂粒子作为锂离子电池的活性材料更具有实用性。然而，微米级FeS₂电极材料研究开发面临着以下重要的挑战：体积膨胀严重、Li⁺扩散条件差、以及有效活性物质比例低。

【成果简介】

北京科技大学连芳教授研究团队采用溶剂热法一步制备了同时具有CNT外部保护壳层和内部连续导电网络的FeS₂/CNT微米材料(FeS₂@B-CNTs)。CNT缠绕交织形成的外壳作为强大的机械缓冲层和多硫化物吸附器，保证了电极材料超长循环周期的电化学活性。此外，从表面到内部的连续CNTs网络缩短了离子和电子的输运路径，增强了锂离子的扩散性能，参与储锂反应的活性物质比例显著提高。FeS₂@B-CNTs电极的首次库仑效率高达91.3%，在1000 mA^.g^-1电流密度下循环500圈后仍具有698 mAh^.g^-1的容量。同时，此项研究为长循环寿命、高能量密度的过渡金属硫化物电极材料的设计和制备提供了技术方案。

该研究以“Adapting FeS₂ micron particles as an electrode material for lithium-ion batteries via simultaneous construction of CNT internal networks and external cages”为题，发表于Journal of Materials Chemistry A，并被选为2019年封面文章，且刊登了封面图片。第一作者鲁建豪博士，通讯作者连芳教授。

【图文简介】

图1 储锂反应中FeS₂@B-CNTs与常规FeS₂结构演化示意图

(a) FeS₂@B-CNTs结构演化示意图    (b) FeS₂结构演化示意图

图2 微观形貌表征和制备流程示意图

(a-b) FeS₂@B-CNTs微观形貌图；(c-d) FeS₂@B-CNTs中Fe、C、S三种元素的分布图；

(e-f) FeS₂@B-CNTs的透射电镜图；(g) FeS₂@B-CNTs的选区衍射图；

(h)不同反应时间下FeS₂@B-CNTs的微观形貌图；(i) FeS₂@B-CNTs合成过程示意图。

图3 EIS、GITT以及Raman表征图

(a-b) 循环过程中电荷转移电阻(a)和界面电阻 (b)的变化；

(c)恒电流间歇滴定测试图；

(d)拉曼光谱图。

图4 电化学性能图

(a)1000mA^.g^-1下的循环效率图；(b)不同电流密度下的倍率图；(c) 5000mA^.g^-1下的循环效率图

【小结】

为了解决纳米级FeS₂的表面副反应严重以及体积能密度低等问题，本文设计并成功制备了具有CNTs外部保护壳层和内部连续导电网络的FeS₂/CNT微米材料(FeS₂@B-CNTs)。材料的Li+扩散性能优异、电子导电性好、结构稳定、活性物质利用率高、首次库仑效率高达91.3%、倍率性能和循环稳定性优异，为实现过渡金属硫化物长循环寿命和高能量密度的目标提供了材料设计思路。

团队介绍：

连芳教授个人简历：

连芳，工学博士，教授，博士生导师。主要从事能源存储转换材料和相关资源利用开发的研究，近年来在高能量密度电极材料和新型电解质体系的研发上获得重要进展。先后主持3项国家科技支撑计划课题，1项国家863计划课题、2项国家自然基金项目，参加多项国家和省市级课题。作为技术负责人先后开展了与德国宝马公司、美国江森自控、日本日电公司的合作开发项目。在Journal of Materials Chemistry A, ACS applied materials & interfaces, Journal of Membrane Science, Journal of Cleaner Production等期刊发表论文60余篇。获得发明专利20余项，其中许可实施和技术转让4项。

文章链接：Adapting FeS₂ micron particles as an electrode material for lithium-ion batteries via simultaneous construction of CNT internal networks and external cages

(J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/c8ta09955c).

本文由北京科技大学连芳教授研究团队供稿，材料人编辑部编辑。

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