中國粉體網(wǎng)訊  基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的黃鐵礦型FeS₂具有環(huán)境友好、價格低廉以及理論比容量高（890mAg^-1）等優(yōu)點。在鋰電池中，F(xiàn)eS₂在充放電過程中會發(fā)生如下反應(yīng)：

　　顯然，在首次循環(huán)之后，Li-FeS₂電池將變成Li-FeS_y及Li-S電池。由于多硫化物的穿梭效應(yīng)、活性物質(zhì)在轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中的體積變化以及電絕緣性生成產(chǎn)物L(fēng)i₂S/S的較差反應(yīng)動力學(xué)，導(dǎo)致FeS₂在基于有機溶劑的液態(tài)電解液中表現(xiàn)出較差的電化學(xué)性能。為此，研究人員通過調(diào)整電解液的組分以降低多硫化物的穿梭效應(yīng)，但多硫化物的穿梭效應(yīng)只能在一定程度上得到緩解。采用固體電解質(zhì)能完全避免多硫化物的穿梭，但在固態(tài)電池中活性物質(zhì)的體積變化對電池性能的影響比液態(tài)電池更為顯著。常用的解決手段是制備FeS₂與導(dǎo)電材料的復(fù)合物，同時達(dá)到緩解循環(huán)過程中體積變化和提高反應(yīng)動力學(xué)的效果。但導(dǎo)電材料不會對電池的容量有貢獻(xiàn)，從而降低電池質(zhì)量能量密度。

　　針對以上問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源所研究員姚霞銀團隊與陳亮團隊合作，通過第一性原理計算與實驗相結(jié)合的方式，創(chuàng)新性地在FeS₂中引入具有催化作用的過渡金屬，達(dá)到了在不犧牲電池質(zhì)量能量密度的前提下，提高FeS₂在全固態(tài)鋰電池中的反應(yīng)動力學(xué)的目的。通過對比不同過渡金屬（Cu、Co和Ni）對FeS₂形貌及電化學(xué)性能的影響，篩選出Co對FeS₂性能具有最優(yōu)化作用（圖1）。并且所得到的Co_0.1Fe_0.9S₂具有最小的顆粒尺寸，這有利于提高材料的比表面積，緩解循環(huán)過程中的體積變化以及減小電化學(xué)反應(yīng)過程中Li⁺的傳輸路徑。電化學(xué)測試結(jié)果表明，是電化學(xué)反應(yīng)中的決速步驟，而Co的加入，對該反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用，使基于FeS₂的全固態(tài)電池在500mAg^-1電流密度下循環(huán)100圈后，可逆容量從197.1mAhg^-1提高到543.5mAhg^-1，該提升效果明顯優(yōu)于過渡金屬Cu和Ni。

　　研究人員進(jìn)一步通過密度泛函理論計算的方法確定了Co摻雜后決速步能壘從2.09eV降低至1.86eV。DOS結(jié)果也顯示，由于d軌道填充作用，多一個d電子的Co使得費米能級附近態(tài)密度提高，從而提高了電化學(xué)活性（圖2）。

　　相關(guān)工作發(fā)表于ACS Nano, 2019, 13, 9551-9560，該工作得到國家重點研發(fā)計劃（2018YFB0905400）、國家自然科學(xué)基金面上項目（51872303）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項目（2017342）等的資助。

圖1 Co對FeS₂催化作用示意圖

圖2 (a) Li_1.25Co_0.125Fe_0.875S₂的結(jié)構(gòu)圖，(b) Li_1.25FeS₂ 和 Li_1.25Co_0.125Fe_0.875S₂的電子態(tài)密度圖

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！