米立伟教授/张久俊院士Adv. Sci：基于富阴离子二硫化镍的高性能镁离子电池

摘要：近日，中原工学院先进材料研究中心米立伟教授和上海大学理学院可持续能源研究院张久俊院士等利用简单的溶剂热法合成了二硫化镍（NiS₂），并原位生长在镍基碳纳米管（NCNTs）上，解决了一直以来镁离子电池容量较低和循环性能差的难题。并通过第一性原理计算和非原位测试，阐明了NiS₂的储镁机制。

关键词：Advanced Science, 二硫化镍, 富阴离子, 镁离子电池, 中原工学院

图1 NiS₂的物象表征

图2 NiS₂和NiS₂/NCNTs的电化学性能表征

当今，锂离子电池在便携式电子设备、交通运输、环境保护及航空航天等领域得到极其广泛的运用，随着社会经济的日益发展，锂元素的有限储备与人们对锂离子电池的深入开发的需求之间的矛盾日益激烈，极大地限制了锂离子电池的发展；为满足今后大型动力电源和大规模储能系统的发展，寻求新型的能源与储能系统成为人们在储能领域中的研究热点。镁离子电池在能源存储与转化领域中得到了越来越多的关注，镁元素在地壳储备丰富、体积能量密度高、易处理加工、安全性高等特点，使得镁离子电池具有非常大的发展潜力。

与此同时，镁离子较高的电荷数导致其具有较强的极化特性使它在正极材料中的扩散缓慢。同时常用的电解液中强离子缔合的问题，导致溶剂分子或阴离子与镁离子一起插入正极。此外，金属镁的有效利用受到正极材料电导率低和脱嵌/嵌入效率差的阻碍，特别是在高电流密度下。结果表明，镁电池具有较低的容量和循环性能。尽管到目前为止进行了许多努力，但最先进的镁离子电池仍然缺乏合适的正极材料从而不能提供具有吸引力的性能。

NiS₂晶格结构中相邻原子之间的最小间距为2.47Å，NiS₂的一维空腔结构可以为Mg2（1.4Å）的定向传输提供路径，因此Mg²⁺能够在NiS₂晶体结构中自由穿梭，NiS₂的晶体结构为其储存Mg²⁺提供了可能。通过第一性原理计算对NiS₂的电荷密度分析，具有富阴离子特性的NiS₂在镁离子传输时能吸引Mg²⁺进而对其进行存储。非原位XRD和XPS测试结果表明NiS₂晶体结构中在Mg²⁺在嵌入/脱出过程中涉及S-S键的断裂和再生成，从而实现了快速的正极氧化还原动力学。NCNTs的加入提高了NiS₂的导电性，加快了电荷传输效率，同时改善了NiS₂的分散性，极大的提高了NiS₂与电解液的可及性。依托于NCNTs提供的优异碳骨架能够保证在循环过程中NiS₂结构的稳定性，极大提升了NiS₂的循环寿命。结果表明，制备的NiS₂和NiS₂/NCNTs两种材料都表现出了优异的储镁性能，其中NiS₂/NCNTs在50 mA g^-1电流密度下比容量达到了244.5 mAh g^-1，在1000 mA g^-1电流密度下比容量还能保持在为94.7 mAh g^-1。在200 mA g^-1下能够循环高达2000圈。

总而言之，这项工作首次使用NiS₂作为镁离子电池正极材料，展现出NiS₂富阴离子以及大空腔的优势，这将为镍基硫化物的进一步发展提供新的视角，对镁离子电池领域正极材料的研究和开发具有参考意义。相关论文在线发表在Advanced Science上。

WILEY

论文信息：

In-situ anchoring anion-rich and multi-cavity NiS2 nanoparticles on NCNTs for advanced magnesium-ion batteries

Zisen Ye, Ping Li, Wutao Wei*, Chao Huang, Liwei Mi*, Jinglai Zhang, Jiujun Zhang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202200067

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