花瓣状 CoS/CuS 纳米球材料用于高性能镁离子电池正极材料的结构研究

为解决可充电镁电池（RMBs）开发初期面临的诸多挑战，研究人员开展花瓣状纳米棒 CoS/CuS 材料作为 RMBs 正极材料的研究。结果表明该材料可改善反应动力学，提升电池性能，为电极材料改性提供新途径。

　　在能源存储领域，锂离子电池（LIBs）虽占据主导地位，但其面临锂资源短缺、枝晶生长带来的安全隐患等问题，限制了大规模应用。可充电镁电池（RMBs）因理论容量高、镁金属成本低、不易产生枝晶且安全性更高，成为理想替代选择。然而，当前 RMBs 发展面临镁阳极表面易生成钝化膜、电化学窗口窄、Mg²⁺扩散动力学缓慢等挑战，导致电子和离子导电性下降，影响镁沉积 / 溶解过程的可逆性，因此开发合适的正极材料至关重要。过渡金属硫族化合物虽有潜力，但存在体积膨胀大、循环稳定性差等问题。基于此，国内研究人员开展了相关研究，旨在提升 RMBs 的性能，该研究成果发表在《Green Energy》。

研究人员采用两步无模板金属硫化物溶剂热合成法，制备了花瓣状 CoS/CuS 纳米棒作为 RMBs 正极材料，并对其电化学性能进行研究。

研究结果如下：

材料结构与表征

通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征手段，证实成功合成 CoS/CuS 复合材料。CoS 呈核桃状结构，而 CoS/CuS 为花瓣状球形结构，内部为空心腔，增大了表面积，缩短了 Mg²⁺迁移路径，有利于电解液渗透和反应动力学提升。N₂吸附 / 脱附测试显示，CoS/CuS 比表面积更高，孔隙结构更优。

电化学性能测试

循环伏安法（CV）表明，CoS/CuS 的镁存储反应具有高可逆性。充放电曲线显示，CoS/CuS 电压平台稳定，比容量优于 CoS。在 200 mA g^-1电流密度下循环 300 次后，比容量仍保持 62.8 mAh g^-1。倍率性能测试中，电流密度从 100 mA g^-1升至 1000 mA g^-1时，比容量从 180.6 mAh g^-1降至 30 mAh g^-1，恢复至 100 mA g^-1时又逐渐恢复至 178.6 mAh g^-1，展现出良好的倍率性能和循环稳定性。

反应动力学与机理研究

通过 CV 分析不同扫描速率下的峰值电流，发现扩散控制在充放电过程中起主导作用。原位 XRD 和 XPS 表征揭示了电池反应过程中物质的可逆转化，证实 CoS/CuS 的反应为可逆的转化反应，其异质结结构增强了电荷转移能力，降低了反应势垒。

研究结论表明，花瓣状 CoS/CuS 纳米棒作为 RMBs 正极材料，凭借独特的结构和异质结效应，有效改善了反应动力学，提升了电池的比容量、电压和循环稳定性。该研究为 RMBs 电极材料的改性提供了新颖且实用的途径，有助于推动可充电镁电池的发展，缓解能源存储领域对锂离子电池的依赖，为解决能源存储的安全性和可持续性问题提供了新方向。