為彌補鋰離子電池在儲能方向應(yīng)用的局限性，鈉離子電池以其鈉資源豐富、分布廣泛和成本低廉等特點受到了人們的普遍關(guān)注，并有望在大規(guī)模儲能領(lǐng)域得到應(yīng)用。開發(fā)高性能負極材料對實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化至關(guān)重要。在備受關(guān)注的鈉離子電池負極材料中，硫化鐵具有理論容量高、高度可逆的氧化還原特性、自然資源豐富以及環(huán)境友好等特點，是極具潛力的新型負極材料之一。眾所周知，納米結(jié)構(gòu)對于提高納米材料的電化學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。然而，由于實驗過程繁雜，規(guī)?；铣删哂刑厥饧{米結(jié)構(gòu)的納米材料，一直以來嚴重制約著納米材料的實用化。

 

 

近日，南京航空航天大學(xué)彭生杰教授課題組通過一步硫化的方法設(shè)計制備出適合規(guī)模化生產(chǎn)的形貌均一的Fe1-xS納米材料。作為鈉離子電池負極材料，該材料展現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（經(jīng)過2000周循環(huán)，在10 A g-1的電流密度下，可逆容量保持率仍舊可以達到大約100%）。動力學(xué)分析表明，贗電容的決定性作用，是該材料具有良好倍率性能的關(guān)鍵。同時，通過原位XRD表征，研究了Fe1-xS納米材料的儲鈉機理。此外，利用Na0.6Co0.1Mn0.9O2與Fe1-xS匹配構(gòu)成鈉離子電池全電池，表現(xiàn)出較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性（在電流密度20 mA g-1時，經(jīng)過100周循環(huán)，容量保持在約380 mAh g-1）。該項工作以“Large-scale synthesis of highly uniform Fe1-xS nanostructures as a high-rate anode for sodium ion batteries”為題在線發(fā)表在期刊Nano Energy上（2017， 37， 81-89）。

 

 

圖1. Fe1-xS納米材料的物理表征

 

（a，b）Fe1-xS納米材料在不同放大倍率下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（c,d）Fe1-xS納米材料的投射電子顯微鏡（TEM）圖像,插圖：電子衍射圖像；（e-g）Fe1-xS納米材料各元素的EDX面掃描圖。

 

圖2. Fe1-xS納米材料的電化學(xué)性能

 

Fe1-xS納米材料的（a）CV圖；（b）充放電曲線圖；（c）循環(huán)穩(wěn)定曲線；（d）交流阻抗圖；（e）不同充放電倍率下循環(huán)穩(wěn)定性曲線。

 

圖3. Fe1-xS納米材料的動力學(xué)性能

 

Fe1-xS納米材料的（a）倍率性能曲線；（b）相應(yīng)倍率下充放電曲線；（c）不同掃速下的CV曲線；（d）相應(yīng)氧化還原峰下的log i vs. log v曲線；（e）不同掃速下的贗電容貢獻；（f）掃速為0.5 mV s-1時，CV曲線及相應(yīng)贗電容所占比例。

 

圖4. Fe1-xS納米材料的儲鈉機理研究

 

（a）第一周充放電原位XRD圖；（b）第三周充放電原位XRD圖；（c）一定充放電電位下XRD圖。

 

圖5. Fe1-xS納米材料的鈉離子全電池性能

 

（a）Na0.6Co0.1Mn0.9O2正極和Fe1-xS負極充放電曲線對比；Na0.6Co0.1Mn0.9O2/Fe1-xS全電池在電流密度20 mA g-1時的電化學(xué)性能（b，c）充放電曲線；（d）循環(huán)穩(wěn)定性曲線。

 

 

該研究通過簡單一步硫化的方法成功制備了均一Fe1-xS納米結(jié)構(gòu)。作為鈉離子電池電極材料，表現(xiàn)出良好的倍率性能和超長的循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是，其優(yōu)異的儲鈉性能也在鈉離子全電池中得以充分展現(xiàn)，進一步表明了其潛在的商業(yè)化應(yīng)用價值。