中原工學院聯手河大&上大Adv. Sci.丨原位錨定在鎳基碳納米管的富陰離子多腔NiS2納米顆粒用于鎂離子電池

fengbindiana 1年前 (2022-05-06) 1680瀏覽

一.【導讀】

鎂離子電池以其低廉的成本和良好的安全性引起了人們的廣泛關注。然而正極材料的高極性和Mg2+在正極材料中的緩慢擴散限制了實用鎂正極材料的發展。

二、【成果掠影】

本文合成了一種富陰離子電極材料NiS2及其與鎳基碳納米管的復合材料(NiS2/NCNTs)用作鎂離子電池正極材料。通過簡單原位合成NiS2納米顆粒錨定在鎳基碳納米管上，該復合材料(NiS2/NCNTs)擁有優秀的儲鎂性能。在50 mA/g的電流密度下其放電比容量為244.5 mAh/g, 在1000 mA/g時具有94.7 mAh/g的優良的倍率性能，在200 mA/g電流密度下循環2000圈后容量保持率為58%。研究成果以題為“In Situ Anchoring Anion-Rich and Multi-Cavity NiS2Nanoparticles on NCNT s for Advanced Magnesium-Ion Batteries”發表在國際著名期刊Advanced Science上。

三【核心創新】

  1. 本研究以富含陰離子的NiS2為活性材料，將其固定在鎳基碳納米管表面，制備用于鎂離子電池的復合材料NiS2/NCNT。NiS2的大空洞結構允許Mg2+自由穿梭，并發現脫嵌鎂離子過程涉及S?S鍵的解離/形成。納米碳納米管的加入促進了復合材料的電荷轉移動力學，提高了復合材料的結構穩定性。
  2. 本研究為鎂離子電池正極材料的開發提供了一個有前景的選擇。

四【數據概覽】

圖 1. a) 錨定在 NCNT 表面的 NiS2 納米顆粒示意圖。b) XRD圖和c) NiS2晶體結構圖。d) NiS2/NCNTs的全XPS光譜，e)高分辨率Ni 2p XPS光譜，f) S 2p XPS光譜，和g) C 1s XPS 光譜。

圖 2. a,b) NiS2/NCNTs 的高倍率和低倍率FESEM圖像，c) NiS2/NCNTs的高分辨率TEM (HRTEM)圖像。d,e) NiS2/NCNTs的高倍率和低倍率TEM圖像。f) NiS2/NCNTs的相應SAED圖案。g) NiS2/NCNTs的EDS光譜和 h) Ni、S、O 和C元素的相應EDS元素映射。

圖 3. a)NiS2/NCNTs在0.2mV s-1時的CV曲線和 b) NiS2/NCNTs 和 NiS2 的倍率性能。c) NiS2 電極在 200 mA g-1 的長循環和 d) NiS2/NCNTs電極在200 mA g-1 的長循環。? e) 倍率性能與文獻的比較。f) NiS2不同電流密度下的充放電曲線，g) NiS2/NCNTs 不同電流密度下的充放電曲線，h) NiS2/NCNTs不同循環次數下的充放電曲線。

圖 4. 不同充放電條件下的原位XPS譜圖，a) Ni 2p的XPS 光譜，b) S 2p的 XPS光譜，c) Mg 1s。d）不同電化學階段下NiS2/NCNTs微球的非原位XRD圖譜和e）相應的充放電曲線。f）循環后電極片中Ni、S和Mg的相應EDS元素映射。g) 3D 電荷密度圖和 h) 2D電荷密度圖。i) 放電過程中的反應機理。

圖 5. a) NiS2/NCNTs不同掃描速率下的CV曲線。b) NiS2/NCNTs的log i-log v 曲線。c) CV中的電容和擴散貢獻和 d) NiS2/NCNTs不同掃描速率下的貢獻率。

 

五.【成果啟示】

  1. 采用非原位XPS技術研究了電極反應機理。圖4a-c顯示了不同放電狀態下的XPS光譜。Mg的儲存機制可以用XPS結果來解釋。圖4a顯示了Ni 2p在充放電狀態下的XPS峰。在初始態，853.7 eV處的峰值對應于Ni2+。在放電過程中，Ni 2p的峰值逐漸消失，表明發生了還原反應，Ni2+可能被還原為單質Ni。在連續充電時，Ni2+出現峰值，表明主要是可逆的轉化反應。
  2. 通過非原位XRD測試，可以推導出化學反應方程:

?????????? NiS2 + 2Mg ? 2MgS + Ni

  1. 總之，在富含陰離子的NiS2的激發下，原位生長制備了NiS2/NCNT復合材料。NiS2較大的空腔晶體結構允許Mg2+通過，富含陰離子的性質會促進氧化還原反應。鎂化/脫鎂過程涉及S-S鍵的解離/形成。作為第一個被提出的正極材料，NiS2/NCNTs具有更好的比容量和優異的循環性能，在50 mA /g時具有244.5 mAh/ g 的高容量，在1000 mA/ g 時具有出色的倍率性能(94.7 mAh/ g)。得益于NCNTs的導電性以及NCNTs減少了材料在循環過程中的體積變化，NiS2/NCNT表現出了優異的長循環性能(2000次循環后容量保持率為58%)。本研究為鎂離子電池正極材料的開發提供了一個有前景的選擇。

 

文獻鏈接: In Situ Anchoring Anion-Rich and Multi-Cavity NiS2 Nanoparticles on NCNTs for Advanced Magnesium-Ion Batteries. DOI: 10.1002/advs.202200067???

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