【材料】FeS2@C纳米盒子负极材料用于设计高性能的钠离子电池

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钠离子电池由于具有成本低、安全性高等优点，有望在未来替代锂离子电池用于设计大规模的储能系统。目前，发展一种高容量、长循环以及高倍率性能的负极材料仍然是一个挑战。黄铁矿（FeS₂）具有较高的理论储钠容量（894 mAh•g^-1），近年来受到研究人员的广泛关注，被视为一种理想的钠离子电池负极材料。然而，FeS₂作为负极材料在循环过程中体积膨胀严重，导致电池容量急剧衰减，大大制约了其实际应用。

近日，韩国汉阳大学的Ungyu Paik教授和新加坡南洋理工大学的楼雄文教授（共同通讯作者）团队合作，采用一种简单的化学刻蚀和气相硫化相结合的方法（图1），制备了具有独特核壳结构的FeS₂@C纳米盒子，改变刻蚀时间可以调控FeS₂核与C壳层之间的距离，为解决上述问题提供了新的策略（图2）。

图1. FeS₂@C纳米盒子合成的示意图。

图2. 未经刻蚀获得的FeS₂@C-0（a-d, g）和刻蚀45 min获得的FeS₂@C-45（e, f, h）纳米盒子的TEM（a-f）和EDS（g, h）图像。

该方法制备核壳结构的FeS₂@C-45纳米盒子表现出优异的储钠性能——高容量、高倍率以及长循环：电流密度为100 mA•g^-1时，容量为511 mAh•g^-1；电流密度为5.0 A•g^-1时，容量保持在403 mAh•g^-1；电流密度为2.0 A•g^-1时，循环800圈后仍具有330 mAh•g^-1的容量（图3）。增强的电化学性能主要来源于FeS₂@C-45纳米盒子的独特核壳结构，其中碳层可以显著提高材料的导电性，两者之间的空隙则能够有效抑制FeS₂的体积膨胀、缓解机械应力。

图3.（a, b）FeS₂@C-45纳米盒子的CV和充放电曲线；（c-e）FeS₂@C-0和FeS₂@C-45纳米盒子的倍率性能（c）和循环性能（d, e）的比较。

该研究为解决过渡金属硫化物基钠离子电池负极材料存在的倍率性能和稳定性差等问题提供了一条全新的解决思路，对发展高性能的钠离子电池具有重要的意义。相关工作发表在Energy & Environmental Science 上。

该论文作者为：Zhiming Liu, Tianchi Lu, Taeseup Song, Xin-Yao Yu, Xiong Wen (David) Lou, Ungyu Paik

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

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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