Energy Environ. Sci.：从结构出发—高性能 FeS2@C纳米盒子的钠离子电池负极材料之路

【引言】

锂离子电池由于制造成本高，锂元素来源有限等因素，在电动汽车领域难以大规模商业化使用。相比之下，钠离子电池（LIBs）以其元素丰富的储量、环境友好、价格低廉等优点被认为是新型锂离子电池的理想替代能源。作为LIBs重要组成部分的电极材料，也是目前研究的重中之重。金属硫化物因其高容量和低成本等优点，成为了能源材料领域研究的热点。在众多金属硫化物当中，FeS₂具有较高的理论容量（894 mAh g^-1）和高度可逆的氧化还原特性，被认为是一种理想的钠离子电池负极材料。

【成果简介】

近日，韩国汉阳大学Ungyu Paik教授和新加坡南洋理工大学楼雄文教授（共同通讯作者）团队合作，从结构设计出发，采用一种简单刻蚀和硫化相结合的方法，制备了具有核壳结构的纳米盒状FeS₂@C材料。在该材料中，FeS₂具有高容量，碳层可以显著提高材料的导电性，而两者之间的空隙则有效抑制物质的体积膨胀，缓解机械应力。当作为钠离子电池负极材料，它展现出了高容量性能（电流密度 100 mA g⁻¹时，容量为511 mAh g⁻¹）、良好的倍率性能（电流密度5.0 A g⁻¹时，容量403 mAh g⁻¹）和循环稳定性（在电流密度 2 A g⁻¹下循环800次后，容量保持为330 mAh g⁻¹）。该成果以“Structure-designed synthesis of FeS₂@C yolk–shell nanoboxes as a high-performance anode for sodium-ion batteries”为题于2017年5月31日发表在期刊Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图一：核壳结构纳米盒状FeS₂@C制备流程示意图

i)Fe₃O₄@C立方体的制备；

ii)通过HCl部分刻蚀制备Fe₃O₄@C纳米盒子；

iii)高温硫化制备FeS₂@C纳米盒子。

图二：材料的形貌表征和组分分析

（a）Fe₂O₃立方体的SEM图像；

（b）核壳结构Fe₂O₃@PDA立方体的SEM图像；

（c）Fe₃O₄@C-0的SEM图像；

（d）Fe₃O₄@C-45的SEM图像；

（e）FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的XRD图谱；

（f-g）FeS₂@C-0的FESEM图像；

（h-i）FeS₂@C-45的FESEM图像。

图三：不同刻蚀时间对材料内部结构的影响

（a-c）FeS₂@C-0的TEM图像；

（d）FeS₂@C-0的HR-TEM图像；

（e-f）FeS₂@C-45的TEM图像；

（g-h）FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的EDS图像。

图四：FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的电化学性能研究

（a）在0.1mV s⁻¹扫描速度下，FeS₂@C-45的CV曲线；

（b）在100 mA g⁻¹电流密度下，FeS₂@C-45的充放电曲线；

（c）不同电流密度下FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的倍率性能曲线；

（d-e）在电流密度分别为100 mA g⁻¹和2 A g⁻¹时，FeS₂@C-0和FeS₂@C-45的循环曲线。

【小结】

该研究利用一种简单刻蚀与硫化相结合的方法成功制备了具有核壳结构的中空FeS₂@C纳米盒。当用为钠离子电池负极材料时，FeS₂@C由于其特殊的内部结构表现出了良好的倍率性能和超长的循环稳定性。值得注意的是，该方法为其他种类金属硫化物的制备提供了新的思路。

文献链接：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)

本文由材料人编辑部郭静编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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