赵东元&晁栋梁团队《国家科学评论》：介晶NiS₂助力水系硫的高效SOR反应

硫基水系电池（SABs）被认为是安全、低成本和高容量储能等方面极具潜力的电池种类之一（赵东元/晁栋梁团队JACS：硫在水中的化学/电化学行为）。然而，由于单质硫内在的热力学不稳定和动力学缓慢等问题，实现SABs的高可逆性/循环稳定性依旧是一个巨大的挑战。近日，复旦大学先进材料实验室赵东元和晁栋梁等人通过合成高活性的介晶NiS₂（M-NiS₂）作为中间媒介，激活了硫氧化反应过程（SOR效率大于96%），设计/实现了高可逆的6e⁻全固态硫基水系反应路径。

首先，本文通过一步溶剂热法合成了具有介晶结构的NiS₂纳米球（M-NiS₂）。介晶结构的存在对于电解质渗透、硫氧化/还原反应以及电化学动力学的调控具有积极的意义。进一步的电化学测试结果表明，得益于SOR反应的激活，M-NiS₂电极具有高的可逆容量（1258 mAh/g）、超快的反应动力学（12 A/g时，932 mAh/g）和长期循环稳定性（20 A/g时，2000次循环）。

其次，结合XRD和HAADF-STEM技术，可逆的硫氧化/还原反应机理（S ⟷  NiS₂ ⟷  NiS + Cu₂S）被清晰地揭示。通过变温/原位EIS和反应吉布斯自由能计算，分别从动力学和热力学角度研究了电极在充电过程中的SOR历程以阐述M-NiS₂高SOR效率的深层次原因。结果表明，通过具有介晶结构的M-NiS₂的媒介作用，使得硫的氧化/还原具有较高的整体反应动力学，其在实现高SOR效率中起到了关键性的作用。

最后，作为概念性验证，组装的M-NiS₂||Zn全电池在1 A/g的电流密度下具有高的输出电压（~1.60 V），较低的极化电压（~0.13 V）和高的能量密度（~432.9 Wh/kg基于正负极质量）。且该电池具有较好的倍率和循环稳定性。

该工作以“Activating sulfur oxidation reaction via six-electron-redox mesocrystal NiS₂ for sulfur-based aqueous battery”为题，在线发表于国产顶刊《国家科学评论》（National Science Review，2022, DOI: 10.1093/nsr/nwac268）上。

该工作得到了复旦大学先进材料实验室、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金、上海人才发展资助项目等的支持。