深圳大学Advanced Functional Materials：三维纳米纤维素基质增强FePS3负极的锂化动力学

第一作者：肖哲

通讯作者：王任衡*

单位：深圳大学

随着电动汽车和柔性器件的快速发展，普通石墨负极已经无法满足高容量、长寿命的要求。自石墨烯发现以来，许多二维材料成为储能应用的研究热点。其中，FePS₃作为一种典型的层状三元金属磷硫化物(MPS₃, M=Mn, Fe, Ni, Co等)，广泛应用于析氢催化和储能等领域。然而，关于FePS₃储锂的报道相对较少，主要是由于FePS₃的固有电导率低，反应动力学较慢。充放电过程中，FePS₃材料一旦破裂或粉碎，就会阻碍锂离子的迁移，从而增加了锂离子的迁移路径。考虑到这些问题，可以采用机械柔韧性强的碳基材料与FePS₃复合使用。在众多的碳基材料中，纳米纤维素(NC)具有优异的机械性能，高比表面积和低热膨胀系数等特点，使其成为柔性电极的理想基底材料。因此，本文选择NC材料为基底，通过简易的真空抽滤法制备了柔性FePS₃-NC极片，形成了三维空间网络结构，降低了锂离子的迁移势垒，提高了锂离子的迁移速度。

近日，深圳大学王任衡博士在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“3D Nanocellulose Matrix Enhancing the Lithiation Dynamics of FePS₃ Anode”的实验文章。该文章通过简易的真空抽滤方法制备了柔性FePS₃-NC极片，形成了三维空间网络结构，为锂离子的迁移提供了众多的通道。通过第一性原理计算、非原位XRD检测和GITT等测试，重点探讨了NC可以降低锂离子在FePS₃材料中的迁移势垒，以及在FePS₃材料中的储锂机制。

由于纳米纤维素的力学特性，构建了三维网络空间结构，为锂离子的迁移提供了更丰富的传输通道，也展现出可弯曲扭转的柔性特征。另一方面，纳米纤维素可以提高FePS₃-NC极片的比表面积以及优异的浸润性，这对电解液的渗透起到了良好的推动作用。

柔性FePS₃-NC极片展现出较高的初始容量，经过长循环后仍能持续高稳定的库伦效率。由于锂离子运输通道的增加，此外，FePS₃-NC极片的阻抗较小，这些都有助于FePS₃-NC极片表现出优异的倍率性能。通过不同扫速的CV测试可以发现，FePS₃-NC极片展现出良好的赝电容行为。恒流间歇滴定技术(GITT)也证实锂离子在FePS₃-NC中具有高的扩散系数。

通过第一性原理计算，锂离子在FePS₃-NC体系中沿x轴迁移的势垒(0.536 eV)大于沿y轴迁移的势垒(0.4245 eV)，说明锂离子在FePS₃-NC体系中更倾向于沿y轴迁移。同时，与FePS₃中的锂离子迁移势垒相比，沿XZ平面的锂离子迁移势垒从1.2124 eV降低到0.536 eV，沿YZ平面的锂离子迁移势垒从0.7714 eV降低到0.4245 eV。这主要由于纳米纤维素富含羟基，其中的氧原子带负电，对锂离子具有较强的静电相互作用。因此，纳米纤维素可以有效降低锂离子在FePS₃-NC中的迁移势垒，促进锂离子的快速脱嵌，从而提升电池的性能。

“3D Nanocellulose Matrix Enhancing the Lithiation Dynamics of FePS₃ Anode”

王任衡 博士简介：博士毕业于中南大学，随后在新加坡南洋理工大学从事博士后科研工作，目前就职于深圳大学，入选广东省博士博士后100名创新人物、深圳市海外高层次孔雀人才、深圳市高层次人才和深圳市南山区领航人才，兼任中国科协科技人才奖项评审专家、教育部学位中心学科评估专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、广东省高校科技成果转化专家、深圳市储能标准技术委员辉委员等，担任Rare Metals、eSciences、SmartMat等期刊青年编委，主持国家、广东省、深圳市等10个项目。共发表SCI论文52篇，IF>10有25篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.（2篇）、Matter、Adv. Funct. Mater. (3篇)、ACS Nano（4篇）、Nano Energy、Energy Storage Mater.等国际知名期刊，申请专利25项，授权11项，主要研究方向为光电功能材料与器件、能量转换与存储。

肖哲 简介：深圳大学博士研究生，研究方向为新能源纳米材料与器件，包括锂离子电池和水系锌离子电池。

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