高性能长寿命锂离子电池负极材料：空心碳球负载硫化镍复合材料的构建与机理研究

【编辑推荐】为解决过渡金属硫化物（TMS）负极材料循环稳定性差、倍率性能低的问题，研究人员通过高温碳化-水热法构建了空心碳球负载硫化镍（NiS/HCS）复合材料。该材料结合NiS的高比容量（初始放电容量982.9 mAh g?1 ）与碳基体的导电性，经500次循环后仍保持200.6 mAh g?1 容量，电容贡献率达69%（1.2 mV s?1 ），为下一代高能量密度LIBs负极设计提供新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，开发高效储能技术成为迫切需求。锂离子电池（LIBs）虽占据市场主导地位，但传统石墨负极的理论比容量仅为372 mAh g^?1
，难以满足日益增长的能源需求。过渡金属硫化物（TMS）因其高理论容量（如NiS达590 mAh g^?1
）成为研究热点，但充放电过程中的体积膨胀（>200%）和低电导率导致电极粉化、容量骤降。例如，纯NiS电极在100次循环后容量衰减至215.6 mAh g^?1
，凸显材料改性的必要性。

针对这一挑战，兰州理工大学的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，提出将硫化镍（NiS）纳米颗粒锚定于空心碳球（HCS）的创新策略。通过St?ber法合成SiO₂
模板，结合高温碳化和水热硫化工艺，成功构建NiS/HCS分级结构。该材料凭借独特的“核壳”设计：碳壳提供导电网络并缓冲体积变化，而均匀分布的NiS纳米颗粒（粒径约50 nm）缩短Li⁺
扩散路径，最终实现982.9 mAh g^?1
的高初始容量和500次循环后200.6 mAh g^?1
的稳定输出，电容控制贡献率提升至69%。

关键技术方法

1. 硬模板法：以SiO₂
   球为模板，通过间苯二酚-甲醛聚合及碳化制备HCS；
2. 原位硫化：镍前驱体与Na₂
   S水热反应实现NiS纳米颗粒的原位生长；
3. 多尺度表征：结合XRD、TEM和BET分析材料结构；
4. 电化学测试：采用三电极体系评估倍率性能（0.2-2 A g^?1
   ）和长循环稳定性。

研究结果

1. 材料合成与表征：TEM显示HCS具有明显空心腔体（直径约400 nm），NiS纳米颗粒均匀分布于碳壳表面，XRD证实立方相NiS（JCPDS No. 65-3419）的成功合成。
2. 电化学性能：在0.2 A g^?1
   电流密度下，NiS/HCS的首次库仑效率达72.3%，远优于纯NiS（58.1%）；1 A g^?1
   下循环200次后容量保持率为81.5%。
3. 动力学分析：通过CV测试发现，1.2 mV s^?1
   扫速下电容贡献占比69%，表明快速的表面控制反应主导电荷存储。

结论与意义
该研究通过“空间限域+导电网络”协同策略，有效解决了TMS材料的体积膨胀和电导率低的双重难题。HCS的空腔结构将NiS膨胀应力限制在碳壳内部，而三维导电网络加速电子传输。这种设计理念可拓展至其他金属硫化物（如CoS₂
、FeS₂
），为开发高能量密度、长寿命LIBs负极提供普适性方案。研究获得中国国家自然科学基金（52064035）和甘肃省科技计划（25YFGA024）支持，Wail Hafiz和Yanshuang Meng为共同第一作者，Fuliang Zhu教授担任通讯作者。