碳纳米管限域硫化铁纳米颗粒的储锂特性与机理研究

advs由于具有独特的纳米结构和物理化学性质,碳纳米管(CNT)在电子器件、催化、能源转化与储存等领域激发了广泛的研究兴趣。CNT区别于其他碳纳米材料的独特之处在于其由石墨烯片层卷曲而成的纳米中空管状结构,可以构建介于亚纳米到100 nm尺寸的纳米管腔。CNT独特的纳米限域效应赋予填充材料新颖的物理和化学性质。鉴于此,通过将高储锂容量的活性物质填充到CNT的中空管腔内,可以抑制其在电化学储放锂过程中的体积变化及提高其电导,从而有效增强电极材料的电化学储锂性能。硫化铁(FeS)具有理论储锂容量高、自然资源丰富以及环境友好等特点,是极具潜力的新型负极材料之一。然而,当用于锂离子电池负极时,FeS表现出较低的可逆比容量,主要是因为其电导率较低。同时,通过转变反应实现电化学嵌锂后生成的多硫化物 (Li2Sx,2 < x < 8) 是绝缘体,容易溶解到有机电解液中并迁移到正极端,阻止电化学储锂反应的进行,从而导致较差的循环性能。此外,FeS在锂的嵌入与脱出过程中发生剧烈的体积变化,导致材料粉化、剥落,引起结构失效和急剧的容量损失。为解决以上问题,控制FeS的尺寸及抑制Li2Sx在电解液中的溶解是关键所在。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部和中南大学冶金与环境学院的科研人员,以CNT作为独特的纳米容器和反应器,在其管腔内装填硫和铁的前驱体,经高温固相反应后,制备得到了FeS填充CNT复合电极材料。当用作锂离子电池负极时,该材料表现出优异的电化学性能。通过在透射电镜下构建纳米锂离子电池,原位研究了FeS在CNT中的储放锂过程与机制。研究发现,限域在CNT内的FeS纳米粒子的平均粒径约为15 nm,经电化学嵌锂后,FeS纳米粒子没有明显的破碎或粉化,表现出较稳定的结构。FeS的储锂过程呈现出明显的核-壳两相锂化。CNT一方面限制或承载FeS嵌锂所产生的体积膨胀,另一方面为锂离子嵌入到FeS中提供快速传输通道,从而显著提高了复合电极材料的电化学性能。

以上研究结果可为高容量、大倍率、长循环寿命高性能锂离子电池负极材料的研制提供借鉴和指导。相关工作发表在 Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600113)上。