南京工大：NiS2 NFA/碳纳米管纤维复合材料，用于可充电镍锌电池

成果简介

便携可穿戴式电子产品蓬勃发展，刺激了人们对高性能纤维状储能器件的需求。金属有机骨架（MOFs）具有比表面积大及孔隙率高等特点，有望成为高性能电池材料的基材。本文，南京工业大学冯永宝教授课题组在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Metal-Organic Frameworks-Derived NiS2Nanoflowers Supported on Carbon Nanotube Fibers for Aqueous Rechargeable Nickel-Zinc Batteries”的论文。研究表明，MOF衍生的NiS2纳米花阵列（NFA）直接生长在碳纳米管纤维（CNTF）上，被成功证明是先进纤维状水系可充镍/锌电池的优良阴极。

密度泛函理论模拟结果证实，硫的引入显著减小带隙，提高了材料电导率。NiS2 NFAs/CNTF电极在高电流密度（4.0 mA cm-2）下，由于硫的引入和阵列形貌的保持，其容量可达0.45 mAh cm-2，放电平台高达0.41 V。此外，组装的镍/锌电池在2.4 W cm-3的功率密度能提供224.5 mWh cm-3的超高能量密度和显著的长期循环稳定性。

图文导读

图1、（a）NiS2 NFAs/CNTF制备示意图。（b-d）不同放大倍数下NiS2 NFAs/CNTF的SEM图像。单个NiS2纳米片的TEM（e）和HRTEM（f）图像。（g） 单个NiS2纳米片的EDS元素映射。

图2（a）NiS2 NFAs的XRD图谱。NiS2NFAs/CNTF的全谱（b）和Ni 2p（c）、S 2p（d）、O 1s（e）和c 1s（f）区域的XPS测试。

图3、（a）扫描速率为6 mV s-1时的CV曲线，（b）电流密度为15 mA cm-2时的GCD曲线，以及（c）Ni-MOF NFAs/CNTF和NiS2 NFAs/CNTF的Nyquist图。（d）NiS2 NFAs/CNTF在扫描速率为1～10 mV s-1时的CV曲线。（e）NiS2 NFAs/CNTF循环伏安曲线中氧化还原峰电流与扫描速率的线性拟合。（f）不同扫描速率下NiS2 NFAs/CNTF的电容贡献。（g）NiS2 NFAs/CNTF在不同电流密度下的恒流放电曲线。（h）Ni-MOF NFAs/CNTF和NiS2NFAs/CNTF的速率性能。（i）Ni-MOF NFAs/CNTF和NiS2 NFAs/CNTF在40 mA cm-2下的长期性能。

图4、 Ni-MOF（a）和NiS2（b）的计算态密度（DOS）分析。（c） Ni-MOF和NiS2的总DOS。（d） NiS2 NFAs/CNTF电极EIS试验的Nyquist图的三维瀑布图和（e）等效电路及拟合Rct结果。（f） NiS2 NFAs/CNTF可能的储能机制示意图。

图5、（a）纤维镍/锌组装示意图。（b）不同扫描速率下纤维镍/锌电池的CV曲线。（c） 在4～60mA cm-2电流密度范围内，纤维镍/锌电池的恒流放电曲线。（d）组装后纤维镍/锌电池的额定容量。（e）Ragone绘制了纤维镍/锌电池和先前报道的水系储能装置的对比图。（f）单个设备和两个串联设备的GCD曲线。（g）40 mA cm-2纤维镍/锌电池的长循环性能。（h）纤维镍/锌电池供电的五个平行LED的光学照片。

小结

通过选择预先合成的Ni-MOF作为前驱体，我们成功地在CNTFs上构建并直接生长了NiS2纳米花阵列，作为高性能纤维镍/锌电池的三维自支撑阴极。由于NiS2 NFAs/CNTF具有阵列形貌、高比表面积和孔隙率等优点，因此NiS2 NFAs/CNTF保持了原有的形貌，并且由于硫的参与，具有较高的理论容量，大大提高了电极的电化学性能。DFT模拟和EIS结果验证了NiS2的导电性增强，弥补了MOF材料导电性差的缺陷。在碱性环境下，NiS2NFAs/CNTF电极在4 mA cm-2的电流密度下，放电电压平台高达0.41 V，比MOF电极具有更高的容量和倍率容量。

此外，还成功地组装了准固态纤维镍/锌电池，其电化学性能超出预期。组装后的镍/锌电池在4 mA cm-2电流密度下可释放0.36 mAh cm-2的高容量，即使在60 mA cm-2的超高电流密度下也能输出1.7 V以上的高电压。此外，组装后的镍/锌电池的最大能量密度为224.5 mWh cm-3，最大功率密度为34.2 W cm-3。该方法从MOF衍生物的角度出发，通过限制和修饰，提供了一些具有优异电化学性能的电极设计方法，这大大促进了金属有机骨架电极材料在高能量密度镍/锌电池中的应用。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05524