【摘要】 到目前为止，已报道了许多用于各种应用的过渡金属硫化物材料的合成方法。

传统锂离子电池面临的主要挑战之一是安全问题。采用无机固体电解质代替有机液体电解质的全固态锂电池可以完全解决燃烧和热失控问题。在各种无机固体电解质中，硫化物固体电解质如Li10GeP2S12或Li7P3S11的离子电导率高达10-2Scm-1，接近有机液体电解质的电导率，适合用于测定全固态锂电池的性能。此外，硫化物固体电解质的柔软性使得只有通过冷压才能与活性物质紧密接触。

 

传统锂离子电池的另一个限制是相对较低的能量密度。由于过渡金属硫化物具有较高的比容量和适中的电压平台，以及与硫化物固体电解质良好的界面相容性，基于转化或合金化反应机构的过渡金属硫化物被认为是传统氧化物阳性材料的有希望的替代品。然而，大体积膨胀引起的结构破坏将导致循环稳定性差和在反复的锂插层和脱插过程中容量保持率低。

 

到目前为止，已报道了许多用于各种应用的过渡金属硫化物材料的合成方法。以硫化铁为例，制备了不同化学计量比和晶体结构的硫化铁。其中，在硫脲存在下，亚铁前体络合物的溶剂热分解;腐败可以合成纳米晶FeS。采用硫化氢气体硫化α-Fe2O3纳米线的方法，在相对较低的温度下制备了纯的六方FeS纳米管。

 

此外，我们亦合成了硫化铁/碳质材料复合材料，以改善其导电性和结构稳定性。通过直接沉淀法制备了包裹在还原石墨烯氧化物中的FeS纳米颗粒。此外，通过静电纺丝技术和生物分子辅助的水热法相结合，构建了容纳在多孔石墨碳纳米线中的FeS纳米点。然而，这些合成方法大多复杂或费时，甚至有些是对环境有害的。

 

近年来，二维纳米材料因其具有高比表面积、短路径和高动力学特性等优点，在锂离子电池中得到了广泛的应用，并在锂离子插入/萃取中得到了广泛的应用。高比表面积可提供丰富的电化学反应位置和与电解质的大面积接触面积。同时，由于它们的松散堆叠结构，它们可以进一步适应体积膨胀并减轻转化或合金化反应过程中的内应变。

 

因此，我们预期采用二维硫化物电极的全固态锂电池具有优良的循环稳定性和速率性能。此外，超薄纳米片可缩短锂离子的扩散路径长度，改善电极反应的电荷转移和扩散动力学。FeS具有成本低廉、环境友好、资源丰富、理论比容高达609mAhg-1等优点，是一种很有吸引力的电极材料。据我们所知，目前还没有关于全固态锂电池中的硫化铁纳米片的报道。此外，制备二维FeS的简单、可扩展的工艺仍然有很强的需求。

 

在这里，我们提出了一种简单而高收率的聚(乙烯醇)辅助沉淀法来合成均匀的FeS纳米片。采用FeS纳米片的全固态锂电池在电流密度为0.1Ag-1的情况下，循环50次后可逆容量稳定在550mAhg-1，具有优良的速率性能。

 

图1(a，b)FeS纳米片的SEM图像，(c)TEM图像和(d)HRTEM图像，(d)中的插图是FeS纳米片的SAED图像

 

采用扫描电镜(SEM)对所制备的FeS样品进行了形貌分析。扫描电镜图像(图1a和b)清楚显示合成的样品呈现松散的花状结构，直径约为300nm，并由随机取向中均匀的片状亚基组成。松散的结构可以提供更多的空隙空间，这可以缓冲夹层-脱夹层过程中的体积变化。此外，纳米片的厚度约为10纳米(图1b)，这是进一步证实透射电镜观察(图1c)。薄纳米片可以为锂离子插入-萃取提供短路径和高动力学。

 

代表性地，合成的FeS纳米片的HRTEM结果进一步揭示了详细的结构信息，显示了具有0.26nm，0.30nm和0.50nm的平面间距的清晰格子，这与四方FeS相的d110，d101和d001间距一致(图3d)。所选区域电子衍射(SAED)模式表明，FeS纳米片本质上是多晶的，其衍射环可以分别与FeS的(101)，(110)，(102)，(112)晶格面进行索引，这与XRD和XPS的结果非常吻合。比表面积由氮吸附-解吸测定测定(图2a)，而相应的孔径分配图(图2b)则由BJH法测定。

 

图2(a)氮吸附-解吸等温线及(b)所得FeS纳米片相应的BJH孔径分配曲线

 

由BET结果可以看出，比表面积估计为60.31m2g-1。用BJH方法得到的FeS纳米片的主要孔径约为13.64nm，这可能是由于一些堆叠的FeS纳米片之间的间隙所致。值得注意的是，较大的比表面积可扩大活性物质与固体电解质之间的接触面积，为锂离子插入/萃取提供丰富的反应场所。此外，孔隙可以充当缓冲空间，以减轻在锂离子化/脱石过程中的体积膨胀，改善电极的循环稳定性。

 

1.Qiang Zhang, Xiayin Yao, Jean Pierre Mwizerwa, Ning Huang, Hongli Wan, Zhen Huang, Xiaoxiong Xu, FeS nanosheets as positive electrodes for all-solid-state lithium batteries, Solid State Ionics, Volume 318, 2018, Pages 60-64, ISSN 0167-2738, https://doi.org/10.1016/j.ssi.2017.09.007.

 

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