基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的黃鐵礦型FeS2具有環(huán)境友好、價(jià)格低廉以及理論比容量高（890mAg-1）等優(yōu)點(diǎn)。在鋰電池中，F(xiàn)eS2在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

顯然，在首次循環(huán)之后，Li-FeS2電池將變成Li-FeSy及Li-S電池。由于多硫化物的穿梭效應(yīng)、活性物質(zhì)在轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)程中的體積變化以及電絕緣性生成產(chǎn)物L(fēng)i2S/S的較差反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致FeS2在基于有機(jī)溶劑的液態(tài)電解液中表現(xiàn)出較差的電化學(xué)性能。為此，研究人員通過(guò)調(diào)整電解液的組分以降低多硫化物的穿梭效應(yīng)，但多硫化物的穿梭效應(yīng)只能在一定程度上得到緩解。采用固體電解質(zhì)能完全避免多硫化物的穿梭，但在固態(tài)電池中活性物質(zhì)的體積變化對(duì)電池性能的影響比液態(tài)電池更為顯著。常用的解決手段是制備FeS2與導(dǎo)電材料的復(fù)合物，同時(shí)達(dá)到緩解循環(huán)過(guò)程中體積變化和提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的效果。但導(dǎo)電材料不會(huì)對(duì)電池的容量有貢獻(xiàn)，從而降低電池質(zhì)量能量密度。

針對(duì)以上問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源所研究員姚霞銀團(tuán)隊(duì)與陳亮團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，創(chuàng)新性地在FeS2中引入具有催化作用的過(guò)渡金屬，達(dá)到了在不犧牲電池質(zhì)量能量密度的前提下，提高FeS2在全固態(tài)鋰電池中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的目的。通過(guò)對(duì)比不同過(guò)渡金屬（Cu、Co和Ni）對(duì)FeS2形貌及電化學(xué)性能的影響，篩選出Co對(duì)FeS2性能具有最優(yōu)化作用（圖1）。并且所得到的Co0.1Fe0.9S2具有最小的顆粒尺寸，這有利于提高材料的比表面積，緩解循環(huán)過(guò)程中的體積變化以及減小電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中Li+的傳輸路徑。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，是電化學(xué)反應(yīng)中的決速步驟，而Co的加入，對(duì)該反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用，使基于FeS2的全固態(tài)電池在500mAg-1電流密度下循環(huán)100圈后，可逆容量從197.1mAhg-1提高到543.5mAhg-1，該提升效果明顯優(yōu)于過(guò)渡金屬Cu和Ni。

研究人員進(jìn)一步通過(guò)密度泛函理論計(jì)算的方法確定了Co摻雜后決速步能壘從2.09eV降低至1.86eV。DOS結(jié)果也顯示，由于d軌道填充作用，多一個(gè)d電子的Co使得費(fèi)米能級(jí)附近態(tài)密度提高，從而提高了電化學(xué)活性（圖2）。

相關(guān)工作發(fā)表于ACS Nano, 2019, 13, 9551-9560，該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0905400）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51872303）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2017342）等的資助。

圖1 Co對(duì)FeS2催化作用示意圖

圖2 (a) Li1.25Co0.125Fe0.875S2的結(jié)構(gòu)圖，(b) Li1.25FeS2 和 Li1.25Co0.125Fe0.875S2的電子態(tài)密度圖