限域构筑功能化碳增强多金属铁基硫化物及其储钠性能研究

With the advantages of abundant sodium resources and low price, sodium ion battery provides a new option for the development of large-scale energy storage technology. Iron-based sulfides possess the merits of high theoretical capacities and low cost. However, the poor conductivity and large volume changes during cycling process make it far from practical applications. This project aims to design polymetallic iron-based sulfides hollow nanostructures by confined construction to prevent severe pulverization and dissolution of active materials during the charge/discharge process. This project will employ MOFs as precursors, and the reasonable doping can be realized by introducing other metal elements to optimize its composition and electron transport in essence, thereby resulting in improved rate capability. Meanwhile, the unique hollow structure provides sufficient internal void space for the volumetric expansion of active materials during sodiation/desodiation process, hence realizing the dynamic stabilization of whole architecture. Moreover, benefiting from the synergistic effect between the polymetallic iron-based sulfides and functionalized carbon, the sodium storage properties will be enhanced. Systematic study will be performed to investigate the controlling strategy of composite nanostructures in the confined environment, the synergistic effect between different metal atoms, the influence of internal void space and carbon interface on the electrochemical performance, and elucidate the sodium storage mechanism. Thus, our project will provide important theoretical support for exploring novel anodes of sodium ion batteries.

钠离子电池体系以其钠资源丰富、价格低廉等诸多优势，为大规模储能技术的发展提供了新选择。铁基硫化物以其高理论容量和潜在价格优势，极具发展潜力，但其电导率较低，充放电过程中存在显著的体积效应，严重限制了其实际应用。本项目拟限域构筑功能化碳增强的多金属铁基硫化物纳米结构，来解决充放电过程中硫化物材料破碎流失问题。以有机金属框架为前驱体，通过引入不同的金属元素实现对其合理掺杂，从本质上优化其组成和电子传导特性，达到提升复合材料倍率性能的目的；设计构筑空心结构，有效抑制活性材料的体积膨胀，从而实现复合材料在充放电过程中的动态稳定化；利用多金属铁基硫化物与功能化碳之间的强耦合作用增强材料的电化学性能。系统研究限域环境中材料微结构的调控方法、多金属原子相互协同效应、空腔大小以及碳壳表界面特性等对电极电化学性能的影响，并进一步揭示复合电极材料的储钠机理，为指导设计高性能钠离子电池负极材料提供理论支持。

铁基硫化物材料因其低成本、资源丰富和优异的电化学性能而备受关注，但其在调控晶体结构、优化组分、提高电极导电性、改善电极结构和表界面稳定性等方面仍然面临着巨大的挑战。本项目发展了高效、可靠的高温固相合成法、水热合成法、静电纺丝技术等策略，实现了铁基硫化物复合材料成分、物相和表界面结构的可控制备，揭示出独特的微纳结构和表界面特性在电子传输和电化学反应过程中的角色，并构建了反应机理模型。结合电化学分析手段和理论模型，阐明了FePS3@MXene复合电极和MnPS3@rGO复合电极良好的循环稳定性和反应动力学特性，其优异的性能可以归因于独特的层状结构和导电复合材料的掺入，从而有效地提高了界面接触面积和电子传输性能，促进了体积变化的适应性和界面电荷转移能力。在此基础上，利用静电纺丝技术，通过表面修饰和形貌优化等策略，开发出多通道BiPS4@MCNF复合电极和Co1-xS/MCF复合自支撑电极，获得了高比表面积、电化学性能优异的负极材料，并且管状多孔结构为电解液的快速浸润和离子/电子的快速传输提供了有效的路径。应用于电化学储能器件中，表现出良好的电化学性能，包括高的比容量，极好的倍率性能和长循环使用寿命，为低成本、高性能负极材料的开发提供了新的材料体系。在本项目的资助下，已在《Energy. Environ. Sci.》、《Adv. Energy Mater.》、《ACS Nano》等重要期刊上发表SCI论文15篇，其中IF>10论文9篇，第一发明人授权专利2件。