FCSE | 前沿研究：多壁碳纳米管助力亚铁氰化镍微粒获优异储铵性能

以下文章来源于化学工程前沿FCSE ，作者FCSE编辑部

背景及意义

对可再生能源的需求及对智能电网的优化推动了大型电化学能源存储系统的发展。其中有一类能源存储装置——二次电池受到了广泛的关注。作为下一代二次电池，铵离子电池的工作机制与摇椅式锂离子电池类似。基于其安全、氢和氮的原材料存量无限等特点，铵离子电池在未来的能源存储中具有巨大的潜力。许多材料因而被认为可作为铵离子电池的电极材料，如过渡金属氧化物、有机化合物以及金属有机材料。在这些众多已报道的化合物中，普鲁士蓝类衍生物因其廉价、环境友好、且易于制备的特点，是理想的铵离子电池正极材料。然而，考虑到普鲁士蓝类衍生物的通性，即其电子电导率不佳，故而使其倍率性能欠佳。因此，针对该问题，本研究通过将Ni2Fe(CN)6与多壁碳纳米管（MWCNT）复合以获得一种三维结构的Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料。当Ni2Fe(CN)6与多壁碳纳米管复合后，材料的电子电导率获得提升，从而提高了Ni2Fe(CN)6的离子扩散系数和相应的倍率性能；同时，本研究也为提高普鲁士蓝类衍生物的电化学性能提供了一种实用的方法。

内容及主要结论

本研究对共沉淀法进行优化，制备出三维结构的Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料。根据一系列物理表征和电化学表征，探讨了MWCNT的复合对Ni2Fe(CN)6性能的影响，并进行了材料的储铵机制研究。得到了以下主要结论：

（1）三维结构的Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料通过在共沉淀法中加入MWCNT制备而成（图1）。物理表征结果表明，Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料由直径为30-50 nm的纳米颗粒组成，同时，多壁碳纳米管被Ni2Fe(CN)6颗粒包裹在里面。

图1 共沉淀法合成Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料示意图

（2）与Ni2Fe(CN)6相比，Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料具有更好的循环性能和倍率性能（图2）。在60和900 mA·g-1的电流密度下时，Ni2Fe(CN)6/MWCNT的容量分别为55.1和43.2 mAh·g-1，1000圈后的容量保持率达76.8%；而Ni2Fe(CN)6的容量仅为54.6和38.4 mAh·g-1，1000圈后的容量保持率仅为70.3%。同时，Ni2Fe(CN)6/MWCNT的倍率性能也较Ni2Fe(CN)6更为优异，这是由于Ni2Fe(CN)6/MWCNT比Ni2Fe(CN)6有更高的铵离子扩散系数（图3）。

图2 Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料及Ni2Fe(CN)6的循环性能与倍率性能

图3 Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料及Ni2Fe(CN)6的多扫速CV曲线及扩散系数对比

（3）根据非原位XRD和非原位FTIR的结果（图4）得知，Ni2Fe(CN)6/MWCNT在循环过程中，其结构稳定性高，体积变化率仅为2.34%，而且电化学反应过程中无相变发生。因而解释了Ni2Fe(CN)6/MWCNT具有良好循环稳定性的原因。

图4 Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料的非原位XRD和非原位FTIR

亮点

通过在合成过程中加入多壁碳纳米管(MWCNT)，制备了Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料。复合材料由30~50 nm的纳米颗粒组成，同时，MWCNT在其中分散良好。复合材料在60和900 mA·g-1下可分别提供55.1和43.2 mAh·g-1的放电容量。同时，Ni2Fe(CN)6/MWCNT复合材料在900 mA·g-1下，1000圈后的容量保持率达76.8%。由于其离子扩散系数较高，进而使其倍率性能也较好。基于非原位XRD和非原位FTIR的结果，得知其在循环过程中，体积变化率仅为2.34%。

相关成果以“Enabling nickel ferrocyanide nanoparticles for high-performance ammonium ion storage”为题，发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering 上（DOI: 10.1007/s11705-022-2198-3）。

作者及团队介绍

俞浩翔（第一作者），哈尔滨工业大学2018级博士研究生，研究方向水系电池。

舒杰（通讯作者），宁波大学教授，能源材料与工业催化研究所所长。主要从事二次电池材料与体系，包括水系与非水系单价离子电池、多价离子电池和双离子电池的应用与基础研究。发表论文200余篇，H因子47，入选ESI高被引论文17篇，ESI热点论文3篇。

王振波（通讯作者），哈尔滨工业大学教授，深圳大学特聘教授，国家级人才，俄罗斯工程院外籍院士。连续8年（2014-2021）入选Elsevier中国高被引科学家，发表论文230多篇，H因子55，入选ESI高被引论文19篇，ESI热点论文4篇。获国家授权发明专利40项，转化18项。

转自：“高教学术”微信公众号

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