赵东元院士/晁栋梁NSR：介晶NiS2激活SOR实现高性能硫基水系电池

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硫基水系电池（SABs）被认为是安全、低成本和高容量储能的有前途的候选者。尽管具有很高的理论容量，但由于元素硫的热力学不稳定和动力学缓慢等问题，实现SABs的高可逆性仍是一个巨大的挑战。

图1. M-NiS₂的合成与结构表征

为此，复旦大学赵东元院士、晁栋梁教授等人通过合成高活性的介晶NiS₂（M-NiS₂）作为媒介激活硫氧化反应（SOR）过程（SOR效率大于96%），从而构建了高度可逆的六电子氧化还原电化学。具体而言，作者通过简便的一步溶剂热法合成了具有介晶结构的NiS₂纳米球。在180 ℃ 溶剂热条件下，元素硫在高沸点丙二醇（TEG）溶剂中逐渐熔化形成球形液滴。在反应过程中，TEG的氧化产物吸附在初级NiS₂颗粒的表面，随后自组装形成具有选择性取向的纳米球。

进一步的电化学测试结果表明，得益于SOR反应的激活，M-NiS₂电极具有高的可逆容量（1258 mAh g^-1@1 A g^-1）、出色的倍率性能（932 mAh g^-1@12 A g^-1）和长期循环稳定性（20 A g^-1时2000次循环后容量保持率为61.7%）。

图2. M-NiS₂的电荷存储机制

随后，通过结合XRD和HAADF-STEM表征，作者明确揭示了S⟷ NiS₂⟷ Cu₂S +NiS的独特固-固转化反应机制，可避免多硫化物的氧化还原穿梭和寄生反应，从而有利于SABs的可逆性和稳定性。同时，M-NiS₂中间体在元素硫形成过程中的动力学可行性和热力学稳定性对于实现高SOR效率至关重要。独特的介晶和介孔特征的存在赋予NiS₂相高离子扩散和电荷转移动力学，从而产生有利的SOR反应性。

作为概念验证，通过与碱性Zn负极匹配组装的M-NiS₂||Zn混合水系电池可提供0.13 V的低极化电压和722.4 Wh kg_cath^-1的能量密度。总之，这项工作表明，采用激活SOR工艺的精心设计可能会推进当前SABs的理论发展，为水系电池的发展开辟了新的机遇。

图3. M-NiS₂||Zn混合水系电池的验证

Activating sulfur oxidation reaction via six-electron-redox mesocrystal NiS₂ for sulfur-based aqueous battery, National Science Review 2022. DOI: 10.1093/nsr/nwac268

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