NiS2/FeS多孔膜电极用于锂硫电池

锂离子电池低的能量密度不能满足可充电能量储存装置日益增长的需求。锂硫电池具有高理论比容量（1675mAh/g）和能量密度（2567mAh/g），是能量储存装置最有前景的候选者之一。然而，Li-S电池在实际应用中仍面临许多挑战，如硫以及放电产物Li2S具有低的电导率，穿梭效应，体积膨胀和快速的容量衰减。

为克服上述问题，大部分的策略是硫与导电碳基材料复合作为正极，但它们的非极性降低了其与极性Li2S和Li2Sn的相互作用，导致差的循环性能。研究发现，通过引入无机主体材料（TiO2，MnO2，Co9S8，CoS2，MoS2，SnS2）作为正极材料，可以进一步提高锂硫电池电化学性能。在这些金属硫化物正极中，二硫化镍（NiS2）是一种典型的黄铁矿型结构化合物，导电率为55S/cm。并且NiS2可以提供870mAh/g的高理论比容量。作为铁硫化物之一，FeS具有特定的电子转移能力和较低的带隙，因此FeS具有80S/cm的高电导率。NiS2/FeS复合材料可以加速锂离子的扩散和中间相的演化。NiFe合金基底提高了多孔膜（HF）电极的导电性，改善了电子传输性能。多孔结构可以增加表面积，缩短电子和锂离子的传输路径。这种HF结构可以结合电子传输和离子传输以增强电化学性能。另外FeS可以降低Li-S电池的穿梭效应以改善其循环性能。

美国中佛罗里达大学的Yang Yang采用电化学阳极氧化法和化学气相沉积法（CVD）制备了自支撑的NiS2/FeS多孔膜电极。该电极具有良好的导电性和多孔结构，表现出优异的电化学性能。并且所制备的是超薄自支撑HF，其可用于微型柔性和可穿戴电子设备。因此采用体积容量（mAh/cm^3）来评估其电化学性能。

图1.(a)硫化物HF的制备过程示意图；(b,c)硫化后HF的俯视SEM和TEM图。比例尺分别为200和20nm。

NiS2/FeS多孔膜电极具有优异的循环性能和倍率性能。对于倍率性能，电流密度从10到250mA/cm^3，比容量从580mAh/cm^3（116μAh/cm^2）衰减到230mAh/cm^3（46μAh/cm^2），容量保持率大约为40%。当电流密度返回到10mA/cm^3，放电容量恢复到390mAh/cm^3（78μAh/cm^2），表现出优异的倍率性能。其面积容量可以满足微型柔性和可穿戴式电子设备的要求。对于长期循环性能，在50mA/cm^3的电流密度下循环1000圈后的比容量仍保持在270mAh/cm^3，每一圈的容量容量衰减率仅为0.01%，相应的容量保持率接近100%，进一步证明该电极具有优异的Li储存性能。

图2.硫化物HF电极的电化学性能。(a)CV曲线，扫速0.1mv/s；(b)不同电流密度下的充放电曲线；(c)倍率性能，电流密度的单位为mA/cm^3；(d)在50mA/cm^3电流密度下的长期循环性能。

作者解释了NiS2/FeS多孔膜电极具有优异电化学性能的原因：

• HF的多孔结构提供了大的表面积和更多的活性位点/通道/途径，以增强离子的扩散。 此外，多孔结构可以减少体积膨胀的造成的结构损坏。

• 所制备的电极将集流体（残留的NiFe合金）和活性材料（硫化物）结合在一起，从而降低电极的电阻。另外，HF的良好导电性可以改善电子传输。

• 硫化物作为活性物质比硫更稳定，仅表现出小容量衰减同时保持高的循环稳定性。

HF的制备：通过电化学沉积获得NiFe沉积物。将0.3M NiSO4，0.05M NiCl2，0.05M FeSO4，0.05M NaCl和0.5M H3BO3溶解在蒸馏水中。之后，向电解液中加入0.01M 糖精。溶液在室温下搅拌60分钟。采用具有抛光Ni箔作为正极和Pt涂覆的钛网作为负极自制双电极系统来沉积NiFe层。将阴极电流密度设定为25mA/cm^2进行电化学沉积10分钟。从底物中除去沉积物后，可以获得自支撑的Ni层。随后在含有0.1M NH4F与1M去离子水的乙二醇电解液中以20V的恒定电压进行电化学阳极氧化处理30分钟。样品用乙醇和去离子水洗涤三次，然后在空气流下干燥。

硫化在具有两个加热区的CVD系统中进行。将S粉末和阳极氧化样品分别放置在不同加热区的管上游和下游侧。将管抽真空10分钟至压力为50mTorr，并用氩气吹扫除去残余空气。然后，将S粉末区域和HF区域分别设定为150℃和250℃。用Ar（100sccm）作为载气进行反应30分钟，然后自然冷却。

参考文献：

KunLiang, Kyle Marcus, Shoufeng Zhang, Le Zhou, Yilun Li, Samuel T. De Oliveira, Nina Orlovskaya, Yong-Ho Sohn, and Yang Yang, NiS2/FeS Holey Film as Freestanding Electrode for High-PerformanceLithium Battery, Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201701309.

一站式科研服务专家，尽在南屋实验室！

扫描下方二维码受邀后还可加入能源学人科研讨论微信群，有几百个小伙伴在等着你！欢迎能源领域的朋友踊跃投稿！南屋实验室客服，也可联系能源学人官方微信。

声明：

1.本文主要参考以上所列文献，文字、图片和视频仅用于对文献作者工作的介绍、评论，不得作为任何商业用途。

2.本文版权归能源学人工作室所有，欢迎转载，但不得删除文章中一切内容！

3.因学识所限，难免有所错误和疏漏，恳请批评指正。