英文原题：Flexible Co9S8–Carbon Nanofibers Architecture for Lithium-Ion Batteries: A Comprehensive Study of the Nature of Lithium Storage
通讯作者：侯仰龙，北京大学
作者：Daping Qiu (邱大平), Biao Zhang (张彪), Teng Zhang (张腾), Tong Shen (沈通), Zhi Fang (方志), Wanting Zhao (赵婉婷), Junjie Xu (徐俊杰)
在全球大力推进“双碳”目标的大背景下，对绿色高效的电化学储能技术的需求空前高涨。锂离子电池（LIBs）是过去数十年来电化学储能技术创新最成功的产物之一，但时至今日，不断更新换代的大规模耗能设备对LIBs的储能上限提出了更高的要求。负极是关系到LIBs的储能上限的关键组件之一，开发新一代实际容量远超石墨的新型负极材料是提升LIBs的储能上限的可行手段。在众多新兴的负极材料中，具有极高理论比容量和中等的工作电压的转换型负极是潜在的新一代LIBs负极解决方案。然而，大多数转换型负极迟缓的储锂动力学和模糊不清的储能机理严重阻碍了它们的实用化进程。
对于储锂动力学，电荷传输速率是最关键的因素。当前改善电极材料的电荷传输速率的常用思路包括纳米结构工程和导电骨架复合策略，前者能够增加反应活性位点和缩短电荷传输距离、后者可以借助导电骨架加速电荷传输。对于电极材料的储锂机理，最常见的选择是采用原位XRD进行原位检测，但大多数转换型材料的储锂过程都存在结晶态向无定形态的不可逆转变，而XRD在检测无定形态物质方面灵敏度不佳。
文章亮点
近日，北京大学侯仰龙教授研究团队基于普适性的静电纺丝方法设计并构筑了一种具有规律性的神经节状架构的自支撑Co9S8-炭纳米纤维（Co9S8@CF-700）复合负极材料（图1），该复合负极材料结合了纳米结构工程和导电骨架复合策略的优势。作为LIBs负极时，炭纳米纤维骨架同时扮演导电骨架、额外的活性物质和形变缓冲层三重角色，从而有效提升Co9S8@CF-700复合负极材料的储锂动力学和可逆性（图3）。为了精确阐明Co9S8@CF-700复合负极的储锂机理，结合原位XRD和原位磁同步测试分别从晶体结构和电子态角度对其储锂过程进行了实时监测（图4和图5），提出了更为完善的吸附-转换-空间电荷/插层的储锂机理。
图1. （a）Co9S8@CF-x的合成流程示意图；（b）Co9S8@CF-700以不同角度折叠的照片；Co9S8@CF-700的（c，d）TEM照片，（e）选区电子衍射图案，（f）HAADF图像和（g-j）对应的mapping图案。
图2. （a）Co9S8@CF-700的XRD谱图和Rietveld精修结果；（b）不同硫含量的CoSx的形成能；（c）Co9S8沿（110）晶面方向的ELF图案；（d）Co9S8@CF-700不同温度下的磁滞回线。
图3. （a）Co9S8@CF-700在0.1 A g-1下前三圈的GCD曲线；Co9S8@CF-x和Co9S8的（b）倍率性能，（c）在1 A g-1下的循环性能；（d）基于Co9S8@CF-700的软包电池在0.5 A g-1下的循环性能；Co9S8@CF-x和Co9S8的（e）EIS谱图，（f）Z′-ω−1/2线性拟合结果。
图4. Co9S8@CF-700的（a）原位XRD的2D等高线图，（b）放电至1 V时的TEM图像，（c）放电至0.01 V时的TEM图像，（d）充电至3 V时的TEM图像。
图5. （a）Co9S8@CF-700的时间-磁矩曲线和对应的GCD曲线（（b）为图（a）中阴影部分的放大图像）；不同模型的（c）自旋电荷密度（等值面为0.02）示意图和理论磁矩，（d）理论磁矩统计直方图；（e）Co9S8@CF-700储锂机理示意图。
总结/展望
具有高理论比容量和中等工作电压的转换型负极是下一代高性能锂离子电池负极的潜在解决方案。推进转化型锂离子电池负极实用化的关键在于提升其转化反应动力学并深入阐明其转化反应机制。本文采用普适性的静电纺丝方法设计并构筑了一种具有快速的储锂动力学的自支撑Co9S8-炭纳米纤维复合负极材料，并结合原位XRD和原位磁同步测试深入阐明了其储锂机理。这项工作提供了一种构筑具有快速动力学的转换型负极的简单方法并且提出了一种精确监测转换型负极的储锂过程的可靠测试方法。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，北京大学博士后邱大平、博士研究生张彪和张腾为文章共同第一作者，侯仰龙教授为通讯作者。
通讯作者信息：
侯仰龙 教授
侯仰龙，北京大学博雅特聘教授，皇家化学会会士 (FRSC)，中国化学会会士(FCCS)，国家重点研发计划纳米科技专项首席科学家，磁电功能材料与器件北京市重点实验室主任。主要从事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在纳米生物医学与能源领域的应用探索研究。发展了单分散磁性纳米材料的通用制备方法，探索了磁性纳米颗粒在肿瘤等重大疾病的诊断与治疗的应用；设计制备了若干纳米结构杂化材料用于高性能的锂电池电极等。迄今发表学术论文240余篇，引用26000余次，H因子89。申请专利21项，授权16项。2019年获国家自然科学二等奖1项。荣获全国创新争先奖状、北京茅以升青年科技奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖。曾获国家杰出青年科学基金资助，先后入选教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国优秀科技工作者和科睿唯安高被引科学家(2018年伊始)。在国际和各类双边会议上作大会或分会邀请报告80余次。正主持国家重点研发计划，国家自然科学基金委重大科研仪器研制、重点项目等。现任Rare Metals副主编，Advanced Science、Advanced Healthcare Materials, Advanced Therapeutics、National Science Review期刊国际顾问/编委，中国化学会理事/副秘书长等。
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ACS Materials Lett. 2023, 5, XXX, 1488–1496
Publication Date: April 21, 2023
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00199
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