中原工学院联手河大&上大Adv. Sci.丨原位锚定在镍基碳纳米管的富阴离子多腔NiS2纳米颗粒用于镁离子电池

fengbindiana 2年前 (2022-05-06) 2148浏览

一.【导读】

镁离子电池以其低廉的成本和良好的安全性引起了人们的广泛关注。然而正极材料的高极性和Mg2+在正极材料中的缓慢扩散限制了实用镁正极材料的发展。

二、【成果掠影】

本文合成了一种富阴离子电极材料NiS2及其与镍基碳纳米管的复合材料(NiS2/NCNTs)用作镁离子电池正极材料。通过简单原位合成NiS2纳米颗粒锚定在镍基碳纳米管上，该复合材料(NiS2/NCNTs)拥有优秀的储镁性能。在50 mA/g的电流密度下其放电比容量为244.5 mAh/g, 在1000 mA/g时具有94.7 mAh/g的优良的倍率性能，在200 mA/g电流密度下循环2000圈后容量保持率为58%。研究成果以题为“In Situ Anchoring Anion-Rich and Multi-Cavity NiS2Nanoparticles on NCNT s for Advanced Magnesium-Ion Batteries”发表在国际著名期刊Advanced Science上。

三【核心创新】

  1. 本研究以富含阴离子的NiS2为活性材料，将其固定在镍基碳纳米管表面，制备用于镁离子电池的复合材料NiS2/NCNT。NiS2的大空洞结构允许Mg2+自由穿梭，并发现脱嵌镁离子过程涉及S−S键的解离/形成。纳米碳纳米管的加入促进了复合材料的电荷转移动力学，提高了复合材料的结构稳定性。
  2. 本研究为镁离子电池正极材料的开发提供了一个有前景的选择。

四【数据概览】

图 1. a) 锚定在 NCNT 表面的 NiS2纳米颗粒示意图。b) XRD图和c) NiS2晶体结构图。d) NiS2/NCNTs的全XPS光谱，e)高分辨率Ni 2p XPS光谱，f) S 2p XPS光谱，和g) C 1s XPS 光谱。

图 2. a,b) NiS2/NCNTs 的高倍率和低倍率FESEM图像，c) NiS2/NCNTs的高分辨率TEM (HRTEM)图像。d,e) NiS2/NCNTs的高倍率和低倍率TEM图像。f) NiS2/NCNTs的相应SAED图案。g) NiS2/NCNTs的EDS光谱和 h) Ni、S、O 和C元素的相应EDS元素映射。

图 3. a)NiS2/NCNTs在0.2mV s-1时的CV曲线和 b) NiS2/NCNTs 和 NiS2的倍率性能。c) NiS2电极在 200 mA g-1的长循环和 d) NiS2/NCNTs电极在200 mA g-1的长循环。 e) 倍率性能与文献的比较。f) NiS2不同电流密度下的充放电曲线，g) NiS2/NCNTs 不同电流密度下的充放电曲线，h) NiS2/NCNTs不同循环次数下的充放电曲线。

图 4. 不同充放电条件下的原位XPS谱图，a) Ni 2p的XPS 光谱，b) S 2p的 XPS光谱，c) Mg 1s。d）不同电化学阶段下NiS2/NCNTs微球的非原位XRD图谱和e）相应的充放电曲线。f）循环后电极片中Ni、S和Mg的相应EDS元素映射。g) 3D 电荷密度图和 h) 2D电荷密度图。i) 放电过程中的反应机理。

图 5. a) NiS2/NCNTs不同扫描速率下的CV曲线。b) NiS2/NCNTs的log i-log v 曲线。c) CV中的电容和扩散贡献和 d) NiS2/NCNTs不同扫描速率下的贡献率。

五.【成果启示】

  1. 采用非原位XPS技术研究了电极反应机理。图4a-c显示了不同放电状态下的XPS光谱。Mg的储存机制可以用XPS结果来解释。图4a显示了Ni 2p在充放电状态下的XPS峰。在初始态，853.7 eV处的峰值对应于Ni2+。在放电过程中，Ni 2p的峰值逐渐消失，表明发生了还原反应，Ni2+可能被还原为单质Ni。在连续充电时，Ni2+出现峰值，表明主要是可逆的转化反应。
  2. 通过非原位XRD测试，可以推导出化学反应方程:

NiS2+ 2Mg ↔ 2MgS + Ni

  1. 总之，在富含阴离子的NiS2的激发下，原位生长制备了NiS2/NCNT复合材料。NiS2较大的空腔晶体结构允许Mg2+通过，富含阴离子的性质会促进氧化还原反应。镁化/脱镁过程涉及S-S键的解离/形成。作为第一个被提出的正极材料，NiS2/NCNTs具有更好的比容量和优异的循环性能，在50 mA /g时具有244.5 mAh/ g 的高容量，在1000 mA/ g 时具有出色的倍率性能(94.7 mAh/ g)。得益于NCNTs的导电性以及NCNTs减少了材料在循环过程中的体积变化，NiS2/NCNT表现出了优异的长循环性能(2000次循环后容量保持率为58%)。本研究为镁离子电池正极材料的开发提供了一个有前景的选择。

文献链接:In Situ Anchoring Anion-Rich and Multi-Cavity NiS2Nanoparticles on NCNTs for Advanced Magnesium-Ion Batteries. DOI:10.1002/advs.202200067

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