由于镁金属储量丰富，氧化还原电位低，安全性高等优势受到研究人员的广泛关注。使用镁金属作为负极，开发安全性高的可逆镁离子电池被认为是下一代储能体系的候选者。由于镁离子的半径与锂离子相近，但镁离子具有更多的正电荷，导致镁离子与正极材料中的阴离子具有强库伦相互作用，严重影响镁离子在正极的扩散和存储。

考虑到硫离子的电负性较小，与镁离子的相互作用力较弱，因此南京工业大学沈晓东和赵相玉课题组选择储量丰富的黄铁矿FeS₂作为正极，通过在集流体方面进行创新，使用铜集流体来激活FeS2正极，提高镁离子的扩散速率，实现了50 mA/g 电流密度下679 mAh/g 的质量比容量和 714 Wh/kg 的质量能量密度。同时，揭示了铜集流体激活FeS2镁离子存储的机理并成功拓展到其他正极体系（CoS）。相关成果以“A Pyrite Iron Disulfide Cathode with a Copper Current Collector for High-Energy Reversible Magnesium-Ion Storage” 为题，发表在国际期刊ADVANCED MATERIALS上。

图1 a) FeS₂纳米材料的XRD图谱 b) HAADF-STEM图谱c)拉曼光谱图谱 d,e) SEM图谱 f)制备的FeS₂纳米材料的EDS图谱

首先对正极材料进行表征，证明FeS₂正极的成功合成，并对其形貌和结构进行确定。

图2 a) 0.1 mV/s时的CV曲线 b) 50 mA/g时的恒流充放电分布，c) 50 mA/g时FeS₂阴极的循环性能和库仑效率，d)在使用Mg金属阳极的RMB或混合电池中制备的FeS₂阴极和一些之前报道的金属硫化物阴极的比容量和重量能量密度值，e) FeS₂阴极在200或400 mA/g下活化15次后的循环性能。

当正极使用铜集流体时，FeS₂-Mg电池展现出色的性能。在50 mA/g 的电流密度下表现出高质量比容量和电压。在更大电流密度下实现稳定的长循环。

图3。a) FeS₂阴极在10 mA/g下第一循环的恒流放电和电荷曲线。b)不同电化学状态下FeS₂阴极的原位XRD图:I)制备时，II)首次放电至0.8 V, III)首次放电至0.01 V, IV)首次充电至2.3 V, V)首次充电至2.4 V。c,d)循环前后FeS₂阴极的高分辨率XPS谱:c) S 2p和d) Mg 2p。e-h) FeS₂阴极在III态的HAADF-STEM图像(比例尺:5 nm)

通过对充放电过程中正极的表征揭示了正极反应的历程（FeS₂ + Mg²⁺ +2e = FeS + MgS，FeS + Mg²⁺ +2e = Fe + MgS）并发现正极出现了铜。

图4 a)集流体、电极、隔膜不同部分的硬币电池示意图，b - e) A1侧(b,c)和A2侧(d,e)的EDS图及对应映射图像，f-i) FeS₂阴极在50 mA/g下放电30次后的SEM、EDS、TEM和HRTEM结果，j,k) A3侧的EDS和XPS图

通过对30圈循环后电池不同部位的表征，证实铜集流体参与正极反应，并且在放电过程中生成铜纳米线提供良好的电子通路，充电时则铜纳米线再次被氧化形成Cu_1.8S,并通过计算证实铜的转化可以发生。

图5 a)镁离子储存时不同相变的电动势值，b)FeS₂阴极充放电反应示意图。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202103881

(徐耀奇)