当今，锂离子电池在便携式电子设备、交通运输、环境保护及航空航天等领域得到极其广泛的运用，随着社会经济的日益发展，锂元素的有限储备与人们对锂离子电池的深入开发的需求之间的矛盾日益激烈，极大地限制了锂离子电池的发展；为满足今后大型动力电源和大规模储能系统的发展，寻求新型的能源与储能系统成为人们在储能领域中的研究热点。镁离子电池在能源存储与转化领域中得到了越来越多的关注，镁元素在地壳储备丰富、体积能量密度高、易处理加工、安全性高等特点，使得镁离子电池具有非常大的发展潜力。

与此同时，镁离子较高的电荷数导致其具有较强的极化特性使它在正极材料中的扩散缓慢。同时常用的电解液中强离子缔合的问题，导致溶剂分子或阴离子与镁离子一起插入正极。此外，金属镁的有效利用受到正极材料电导率低和脱嵌/嵌入效率差的阻碍，特别是在高电流密度下。结果表明，镁电池具有较低的容量和循环性能。尽管到目前为止进行了许多努力，但最先进的镁离子电池仍然缺乏合适的正极材料从而不能提供具有吸引力的性能。

近日，先进材料研究中心米立伟教授团队提出了一种双管齐下的策略，解决了一直以来镁离子电池容量较低和循环性能差的难题。一是以具有富阴离子特性和大空腔结构的二硫化镍（NiS₂）为研究对象，镁离子能够自由穿梭于NiS₂的结构中，同时被NiS₂中的硫硫键所吸引，并且涉及硫硫键的快速的断裂/生成的来实现快速的正极氧化还原动力学。二是实现NiS₂纳米颗粒在镍基碳纳米管（NCNTs）表面原位生长，NCNTs的加入提高了NiS₂的导电性，加速了电荷传输，同时改善了NiS₂的分散性，极大的提高了NiS₂与电解液的可及性。并通过第一性原理计算和非原位测试，阐明了NiS₂的储镁机制。

结果表明，制备的NiS₂和NiS₂/NCNTs两种材料都表现出了优异的储镁性能，其中NiS₂/NCNTs在50 mA g^-1电流密度下比容量达到了244.5 mAh g^-1，在1000 mA g^-1电流密度下比容量还能保持在为94.7 mAh g^-1。在200 mA g^-1下能够循环高达2000圈，远超于目前最先进的镁离子电池的循环圈数。

图1 (a)原位生长在NCNTs表面的NiS₂纳米颗粒图。(b)NiS₂的XRD图谱，(c)NiS₂的晶体结构图，(d)NiS₂/NCNTs的XPS全谱。

图2 (a)NiS₂/NCNTs在0.2 mV s^-1下的CV曲线，(b)NiS₂/NCNTs和NiS₂的倍率性能。(c)NiS₂在200 mA g^-1下的长循环性能，(d)NiS₂/NCNTs在200 mA g^-1下的长循环性能，(e)速率性能对比。

图3 NiS₂/NCNTs电极在不同充放电条件下的非原位XPS谱图，(a)Ni2p的XPS谱图，(b)S2p的XPS谱图，(c)Mg1s的XPS谱图。

    这一成果近日发表在Advanced Science上（DOI: 10.1002/advs.202200067），该期刊影响因子为16.806，属于中科院一区杂志。叶子森同学和李萍老师为该文章共同第一作者，卫武涛老师、米立伟教授和上海大学张久俊院士为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金和中原科技创新领军人才等项目的资助。