耶鲁大学EnSM：天然磁黄铁矿直接用于储能

【导读】

在当代新能源大发展的背景下，储能材料需求暴增。而在得到电极材料之前，化学品需要经历矿物冶炼、提纯、化学合成等等过程。大规模的精炼与合成势必会造成严重的污染排放与环境问题。如果能直接把天然矿物拿来做成电池，不仅降低了成本，而且让储能器件本身也和其所储存的能量一样绿色可持续。然而这一概念极具挑战性，因为大部分天然矿物都是电化学惰性的，并且所制成的电池会随着充放电循环迅速衰减。

【成果掠影】

最近，耶鲁大学的王泓民等人研究了天然磁黄铁矿（Fe_1-xS，一种常见的低成本矿石）在锂离子电池中的衰减机理并且提出了可以稳定其性能的行之有效的方案，同时避免了引入化学合成。研究表明，磁黄铁矿在充放电循环中的快速衰减源于放电产物（Fe与Li₂S）的相分离以及充电产物Feⁿ⁺在电解液中的溶解流失。作者通过控制电极材料中导电碳的含量以及充放电电压区间，在不引入化学合成的前提下将磁黄铁矿的循环稳定性从3圈提升到了100圈。优化后的磁黄铁矿电极在1 A/g的电流密度下展现出519 mAh/g的初始容量，并且在循环100圈后仍然保留了第二圈容量的80%。相关成果以“Exploring the Potential of Natural Pyrrhotite Mineral for Electrochemical Energy Storage”发表在Energy Storage Materials上。耶鲁大学的王泓民为论文的第一作者兼通讯作者。

【核心创新点】

证明了天然矿物作为一种低成本、环境友好型的材料不经过化学合成直接用于电化学储能的可行性。

【数据概览】

图1. 天然磁黄铁矿的物理纯化及结构表征©2022 Elsevier B.V.

图2. 磁黄铁矿-锂半电池的电化学表征 ©2022 Elsevier B.V.

图3. 磁黄铁矿的容量衰减机理研究©2022 Elsevier B.V.

图4. 掺碳后的磁黄铁矿-锂半电池的电化学表征©2022 Elsevier B.V.

图5. 掺碳后的磁黄铁矿衰减机理研究©2022 Elsevier B.V.

图6. 控制充放电电压区间以稳定磁黄铁矿/碳电极©2022 Elsevier B.V.

【成果启示】

本篇工作证明了天然矿物作为一种低成本、环境友好型的材料不经过化学合成直接用于电化学储能的可行性。这篇工作对于磁黄铁矿容量衰减的机理研究暗示了更多提升其循环稳定性的可能。例如，本工作发现的Feⁿ⁺溶解流失机理与文献中FeF₂的衰减机理如出一辙，而后者已被证实可以通过引入固态电池的方式提升稳定性。天然矿物作为一种最原始，最简单但也最不简单的材料，如何将其直接应用反映出一种“返璞归真，大道至简”的自然哲学。

第一作者：王泓民

通讯作者：王泓民

通讯单位：耶鲁大学化学系，耶鲁大学能源科学研究所

论文doi：10.1016/j.ensm.2022.10.058