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基于转化反应的黄铁矿型FeS2具有环境友好、价格低廉以及理论比容量高（890mAg-1）等优点。在锂电池中，FeS2在充放电过程中会发生反应。 显然，在首次循环之后，Li-FeS2电池将变成Li-FeSy及Li-S电池。由于多硫化物的穿梭效应、活性物质在转化反应过程中的体积变化以及电绝缘性生成产物Li2S/S的较差反应动力学，导致FeS2在基于有机溶剂的液态电解液中表现出较差的电化学性能。为此，研究人员通过调整电解液的组分以降低多硫化物的穿梭效应，但多硫化物的穿梭效应只能在一定程度上得到缓解。采用固体电解质能完全避免多硫化物的穿梭，但在固态电池中活性物质的体积变化对电池性能的影响比液态电池更为显著。常用的解决手段是制备FeS2与导电材料的复合物，同时达到缓解循环过程中体积变化和提高反应动力学的效果。但导电材料不会对电池的容量有贡献，从而降低电池质量能量密度。 针对以上问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源所研究员姚霞银团队与陈亮团队合作，通过第一性原理计算与实验相结合的方式，创新性地在FeS2中引入具有催化作用的过渡金属，达到了在不牺牲电池质量能量密度的前提下，提高FeS2在全固态锂电池中的反应动力学的目的。通过对比不同过渡金属（Cu、Co和Ni）对FeS2形貌及电化学性能的影响，筛选出Co对FeS2性能具有最优化作用（图1）。并且所得到的Co0.1Fe0.9S2具有最小的颗粒尺寸，这有利于提高材料的比表面积，缓解循环过程中的体积变化以及减小电化学反应过程中Li+的传输路径。电化学测试结果表明， 是电化学反应中的决速步骤，而Co的加入，对该反应有明显的促进作用，使基于FeS2的全固态电池在500mAg-1电流密度下循环100圈后，可逆容量从197.1mAhg-1提高到543.5mAhg-1，该提升效果明显优于过渡金属Cu和Ni。 研究人员进一步通过密度泛函理论计算的方法确定了Co掺杂后决速步能垒从2.09eV降低至1.86eV。DOS结果也显示，由于d轨道填充作用，多一个d电子的Co使得费米能级附近态密度提高，从而提高了电化学活性。 相关工作发表于ACS Nano, 2019, 13, 9551-9560，该工作得到国家重点研发计划（2018YFB0905400）、国家自然科学基金面上项目（51872303）、中科院青年创新促进会项目（2017342）等的资助。
催化
图1 Co对FeS2催化作用示意图 姚霞银 ，宁波材料所研究员，博士生导师，入选中科院青年促进会会员、宁波市领军拔尖人才等。2009年毕业于中国科学院固体物理研究所&中国科学院宁波材料技术与工程研究所，获工学博士学位，并获中国科学院院长优秀奖；2009年至今在中国科学院宁波材料技术与工程研究所从事科研工作，历任博士后、助理研究员、副研究员、研究员，期间于2012年至2014年先后在韩国汉阳大学、新加坡南洋理工大学从事储能材料研究。多年来一直致力于功能材料的基础研究及其在全固态锂电池中的应用研究，目前研究兴趣集中于全固态锂电池关键材料的制备及电池技术。迄今为止，与合作者一起在Nano Letters、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Energy Storage Materials、Chemical Communications、Carbon、Electrochemistry Communications、Journal of Power Sources、ElectrochimicaActa、Polymer等材料及新能源领域国际核心期刊上（合作）发表论文60余篇，被引用1000余次；参与撰写“新能源材料科学与应用技术”（科学出版社）中的“无机固体电解质材料及全固态锂电池”章节；（合作）申请中国发明专利15项，其中授权9项，国际专利2项；主持国家自然科学基金青年基金等项目，并作为核心成员参与了中科院战略先导专项、973、863、中国科学院重点部署项目、浙江省重点科技创新团队等项目的研究工作。 陈亮，1981年9月生。博士，副研究员，硕士生导师。2003年南昌大学化学系本科毕业。2008年中科院兰州化学物理研究所博士毕业，并获朱李月华优秀博士。2008年至2011年在加拿大国家研究院渥太华化学过程和环境技术研究所任Research Associate，从事质子交换膜燃料电池的研究。随后加盟中科院宁波材料技术与工程研究所，从事电化学储能研究，2014年晋升为副研究员。目前，已在Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Sci. Rep.和ChemSusChem等国际杂志发表论文20余篇，他引200余次，申请国家发明专利多项。研究工作得到Nanowerk、Green Car Congress和中国科学报等中外媒体关注，而且被Phys. Chem. Chem. Phys.、ChemPhysChem和ChemElectroChem等杂志的综述文章予以重点阐述。并为Nature Energy、Adv. Mater.和Adv. Energy Mater.等国际一流杂志的特约审稿人。其作为项目负责人主持国家自然科学基金、浙江省公益技术研究工业项目、浙江省和宁波市自然科学基金多项；作为项目骨干参与中科院重点项目、宁波市科技创新团队及国家重点基础研究发展计划。目前主要研究方向为电化学能量储存与转化。
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发表于 2019-9-17 16:44:41
