鑽石舞台

摘要：近日，中原工學院先進材料研究中心米立偉教授和上海大學理學院可持續能源研究院張久俊院士等利用簡單的溶劑熱法合成了二硫化鎳（NiS2），並原位生長在鎳基碳納米管（NCNTs）上，解決了一直以來鎂離子電池容量較低和循環性能差的難題。並通過第一性原理計算和非原位測試，闡明了NiS2的儲鎂機制。

關鍵詞：Advanced Science, 二硫化鎳, 富陰離子, 鎂離子電池, 中原工學院

當今，鋰離子電池在便攜式電子設備、交通運輸、環境保護及航空航天等領域得到極其廣泛的運用，隨着社會經濟的日益發展，鋰元素的有限儲備與人們對鋰離子電池的深入開發的需求之間的矛盾日益激烈，極大地限制了鋰離子電池的發展；為滿足今後大型動力電源和大規模儲能系統的發展，尋求新型的能源與儲能系統成為人們在儲能領域中的研究熱點。鎂離子電池在能源存儲與轉化領域中得到了越來越多的關注，鎂元素在地殼儲備豐富、體積能量密度高、易處理加工、安全性高等特點，使得鎂離子電池具有非常大的發展潛力。

與此同時，鎂離子較高的電荷數導致其具有較強的極化特性使它在正極材料中的擴散緩慢。同時常用的電解液中強離子締合的問題，導致溶劑分子或陰離子與鎂離子一起插入正極。此外，金屬鎂的有效利用受到正極材料電導率低和脫嵌/嵌入效率差的阻礙，特別是在高電流密度下。結果表明，鎂電池具有較低的容量和循環性能。儘管到目前為止進行了許多努力，但最先進的鎂離子電池仍然缺乏合適的正極材料從而不能提供具有吸引力的性能。

NiS2晶格結構中相鄰原子之間的最小間距為2.47Å，NiS2的一維空腔結構可以為Mg2（1.4Å）的定向傳輸提供路徑，因此Mg2+能夠在NiS2晶體結構中自由穿梭，NiS2的晶體結構為其儲存Mg2+提供了可能。通過第一性原理計算對NiS2的電荷密度分析，具有富陰離子特性的NiS2在鎂離子傳輸時能吸引Mg2+進而對其進行存儲。非原位XRD和XPS測試結果表明NiS2晶體結構中在Mg2+在嵌入/脫出過程中涉及S-S鍵的斷裂和再生成，從而實現了快速的正極氧化還原動力學。NCNTs的加入提高了NiS2的導電性，加快了電荷傳輸效率，同時改善了NiS2的分散性，極大的提高了NiS2與電解液的可及性。依託於NCNTs提供的優異碳骨架能夠保證在循環過程中NiS2結構的穩定性，極大提升了NiS2的循環壽命。結果表明，製備的NiS2和NiS2/NCNTs兩種材料都表現出了優異的儲鎂性能，其中NiS2/NCNTs在50 mA g-1電流密度下比容量達到了244.5 mAh g-1，在1000 mA g-1電流密度下比容量還能保持在為94.7 mAh g-1。在200 mA g-1下能夠循環高達2000圈。

總而言之，這項工作首次使用NiS2作為鎂離子電池正極材料，展現出NiS2富陰離子以及大空腔的優勢，這將為鎳基硫化物的進一步發展提供新的視角，對鎂離子電池領域正極材料的研究和開發具有參考意義。相關論文在線發表在Advanced Science上。