连芳：设计微米FeS2电极材料—同步构建CNT导电网络及保护壳

yiqun

FeS2成本低廉，储量丰富，理论容量可以达到894 mAh.g-1，是高能量密度二次锂离子电池的候选材料。但是FeS2及其放电产物的电导率较低，而且伴随FeS2的转换反应出现严重的体积变化以及多硫化物的溶解，导致FeS2容量迅速衰减。纳米化可以减小充放电过程中材料的体积变化，提高参与储锂反应的活性物质比例。尽管如此，纳米结构会加剧材料相间不利的反应，同时造成体系体积能密度降低，与高能量密度电池的设计要求相差甚远。与之相比，微米级FeS2粒子作为锂离子电池的活性材料更具有实用性。然而，微米级FeS2电极材料研究开发面临着以下重要的挑战：体积膨胀严重、Li+扩散条件差、以及有效活性物质比例低。

北京科技大学连芳教授研究团队采用溶剂热法一步制备了同时具有CNT外部保护壳层和内部连续导电网络的FeS2/CNT微米材料(FeS2@B-CNTs)。CNT缠绕交织形成的外壳作为强大的机械缓冲层和多硫化物吸附器，保证了电极材料超长循环周期的电化学活性。此外，从表面到内部的连续CNTs网络缩短了离子和电子的输运路径，增强了锂离子的扩散性能，参与储锂反应的活性物质比例显著提高。FeS2@B-CNTs电极的首次库仑效率高达91.3%，在1000 mA.g-1电流密度下循环500圈后仍具有698 mAh.g-1的容量。同时，此项研究为长循环寿命、高能量密度的过渡金属硫化物电极材料的设计和制备提供了技术方案。

该研究以“Adapting FeS2 micron particles as an electrode material for lithium-ion batteries via simultaneous construction of CNT internal networks and external cages”为题，发表于Journal of Materials Chemistry A，并被选为2019年封面文章，且刊登了封面图片。第一作者鲁建豪博士，通讯作者连芳教授。

为了解决纳米级FeS2的表面副反应严重以及体积能密度低等问题，本文设计并成功制备了具有CNTs外部保护壳层和内部连续导电网络的FeS2/CNT微米材料(FeS2@B-CNTs)。材料的Li+扩散性能优异、电子导电性好、结构稳定、活性物质利用率高、首次库仑效率高达91.3%、倍率性能和循环稳定性优异，为实现过渡金属硫化物长循环寿命和高能量密度的目标提供了材料设计思路。

文章链接：Adapting FeS2 micron particles as an electrode material for lithium-ion batteries via simultaneous construction of CNT internal networks and external cages

(J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/c8ta09955c).