揭示CoS 2纳米线阵列用于高能量水系铜离子SSB蓄电池的储能机制

2026-06-22 14:43:18

过渡金属硫化物（TMs）经过多电子转移供给超高比容量，在水系电池中展现出使用远景。但是，循环功能差以及储能机制尚不明确约束了其进一步开展。在此，提出生长在碳布上的CoS 2纳米线阵列（CoS 2 /CC）作为水系铜离子电池的无粘结剂自支撑电极。经过一系列离位测试阐明晰储能机制：一种多电子电极反响，阅历了CoS 2 → CuS → Cu 7 S 4 → Cu 2 S的三步反响。电化学结果表明，CoS 2 /CC正极表现出优异的长循环安稳性（在10 A/g下循环1000次后容量坚持率为99.7 %），一起具有高比容量（在1 A/g下为762.3 mAh g −1）。具有安稳三维（3D）导电结构的碳布不仅能供给高速通道以促进电子转移，还能抑制体积改变。一起，具有高比表面积的CoS 2纳米线阵列可以改进电解液的润湿性并促进氧化复原反响。此外，先进的Zn-CoS 2 /CC杂化离子水系电池显示出724 Wh kg −1的能量密度和1.24 V的输出电压，为在高能量水系电池中树立过渡金属硫化物正极供给了有远景的策略。

图文摘要

对环境问题的日益关注促进人们渴望使用环保且可持续的动力[1], [2]。作为一种先进的储能技能，锂电池等可充电电池在大型储能领域得到了广泛的研讨与使用[3], [4]。虽然具有极具远景的能量密度和循环耐久性，但锂电池受到稀缺锂资源的高本钱以及易燃有机电解质安全问题的约束[5], [6], [7]。相反，由于使用了不可燃且环保的水系电解质，水系电池凭借其高安全性与优异的导电性，被认为是最具竞争力的候选计划之一[8], [9], [10]。但是，由于嵌入反响机制的影响，各种传统水系电池正极资料（如锰[11], [12]、钒[13], [14]和普鲁士蓝[15], [16]）的比容量较低，这阻止了它们在大规模储能体系中的使用。因而，开发先进的高能量正极资料以满意高功能水系电池的需求至关重要。
作为一种耐用的正极资料，硫因其低本钱和超高的理论容量在水系电池中也具有广阔的远景。根据双电子转移机制，它能供给高达1675 mAh/g的比容量，是其他正极资料的三倍[17]。虽然如此，纯硫正极仍面临着几个重大应战，这些应战与有限的电导率、固-固转换内涵机制以及多硫化物的穿梭效应有关。这些要素导致了较差的循环安稳性、低库仑功率和低库仑功率[18]，[19]。因而，研讨人员致力于探究其他硫族元素和硫化物作为水系铜电池竞争性替代计划的可行性。其间，过渡金属硫化物（TMs）因其高理论容量、低本钱、环境友好以及可控的微观结构和尺寸等独特特性而引起了研讨者的关注[20]，[21]。经过将其与可以供给高理论比容量、杰出安稳性和高氧化复原电位（0.34 V vs SHE）的铜负极相匹配，有望抑制析氢反响并下降电池本钱[22]，[23]。目前，已有少量资料如CuS [17]、Ag 2 S [24]、Ni 2 S [25]和ZnS [26]被报导，它们具有不同的能量存储和开释机制。此外，其他过渡金属硫化物在水系铜ba中的使用……
在硫化物中，CoS 2 因其高电导率（6.7 × 10 3 S cm −1）、可变氧化复原价态、高理论容量、优异的电化学可逆性以及出色的热安稳性[27], [28], [29]，被认为是一种合适的转化型正极资料。此外，与去质子化反响相关的多电子效应这一独特优势可以明显进步理论比容量[30], [31]。目前的研讨首要集中于经过将钴硫化物粉末与粘结剂混合来制备正极资料。但是，这会在反响过程中不可避免地导致粉末团聚，然后下降电子电导率并减少活性位点的露出[32], [33]。因而，将钴硫化物与适当的碳基底资料结合是处理这些问题的一种有用方法[34]。Carbon Cloth (CC) 具有高电导率、优良的柔韧性和安稳的三维（3D）网状结构，使其成为一种抱负的资料，可以经过促进离子/电子的快速传输来有用提高循环安稳性和促进化学反响[35]。
在此，咱们经过水热法和热解法制备了直接生长在碳布上的CoS 2纳米线阵列，作为水系铜离子电池的柔性自支撑正极。具有充足三维空隙结构的自支撑CoS 2/CC正极不仅为电子和离子供给了传输通道，还能有用缓冲反响过程中的体积膨胀[35]。高比表面积的CoS 2纳米线阵列可以供给更大的触摸面积，然后增强电解液的润湿性并促进氧化复原反响[36]。结果表明，所制备的CoS 2/CC正极在活化后实现了优异的循环功能（10 A/g下循环1000次后容量坚持率为99.7%）以及高比容量（1 A/g下为762.3 mAh g⁻¹）。此外，咱们体系地探讨了放电时的储能机制。跟着Cu离子的分散，CoS 2 → CuS → Cu₇S₄ → Cu₂S的转化过程经过Cu²⁺/Cu⁺ ‖ S₂²⁻/S²⁻的氧化复原产生。进一步地，Zn-CoS 2/CC杂化离子电池在0.5 A/g下表现出安稳的库仑功率（98.9%）和高比容量（759.7 mAh/g），展现出明显的实际使用潜力。咱们的研讨结果为探究先进水系电池的高能量硫化物正极供给了新的视角。