锂离子电池已广泛应用于日常生活中，为电子设备提供动力。锂资源的低储量和不断增加的成本限制了锂资源的应用，特别是在大规模储能系统中的应用。离子电池(SIBs)作为LIBs的潜在候选材料之一，因其丰富的钠资源和与LIBs相似的反应机理而备受关注。然而，Na+在半径和分子质量上都比Li+大，影响了面间的形成、相稳定性和传输性能，导致循环稳定性较差。因此，具有良好循环性能的SIBs负极材料的设计十分必要。

近日，吉林大学蒋青&杨春成合作通过静电纺丝设计并合成了Fe7S8纳米颗粒/N掺杂碳纳米纤维杂化物（Fe7S8/N-CNFs）。作为SIBs负极，Fe7S8/N-CNFs在0.2A/g下循环100次后表现出649.9mAh/g的高可逆容量，在1A/g下进行2000次循环期间显示出优异的循环稳定性，每个循环的容量衰减仅为0.00302％。如此优异的性能源于：i）Fe7S8纳米粒子（平均直径为17nm），缩短了Na+扩散距离；ii）独特的3D N-CNFs，可增强导电性，减轻Fe7S8纳米粒子的自聚集和大体积变化，并为Na+吸附提供众多活性位点和电解质扩散路径。Fe7S8/N-CNFs有利的结构和优异的电化学性能为开发高性能SIBs负极材料提供了启示。相关研究成果以“MOF-Derived FeS Nanoparticles/N-Doped Carbon Nanofibers as an Ultra-Stable Anode for Sodium-Ion Batteries”为题目发表于国际期刊《Small》上。

图1.Fe7S8/N-CNFs的制备过程示意图。

Fe7S8/N-CNFs的制备过程如下：

首先，通过简便的水热法合成了 MIL-88A-Fe前驱体，然后通过静电纺丝法合成MIL-88A-Fe/PAN纳米纤维。最后纳米纤维在250°C固化，650°C氩气氛围进行热处理，并加入S粉末,在这个过程中MIL-88A-Fe/PAN转化为Fe7S8/N-CNFs。为了研究碳含量和退火温度对储钠性能的影响，我们还合成了不同的Fe7S8/N-CNFs复合材料。

图2.a）Fe7S8/N-CNFs的XRD图。b）Fe7S8/N-CNFs的拉曼光谱。c）Fe7S8/N-CNFs的N2吸附/解吸等温线和孔径分布（插图）。d）Fe7S8/N-CNFs的FESEM图像。e）Fe7S8/N-CNFs的HRTEM图像和粒度分布（插图）。f）Fe7S8/N-CNFs的HRTEM图像。g）Fe7S8/N-CNFs的扫描TEM图像。（h，i，j和k）分别为C、Fe、S和N的相应元素映射图像。（l，m和n）分别为Fe2p、S2p和N1s的高分辨率XPS光谱。

图3.a）Fe7S8/N-CNFs电极在0.1mV/s扫描速率下的CV曲线。b）Fe7S8/N-CNFs电极在0.1A/g下进行第一次、第二次、第30次、第50次和第100次循环的恒电流充电和放电曲线。c）Fe7S8/N-CNFs和Fe7S8/C电极在0.2A/g下的循环性能以及Fe7S8/N-CNFs电极在0.2A/g下的CE。d）Fe7S8/N-CNFs和Fe7S8/C电极在不同电流密度下的倍率性能。e）Fe7S8/N-CNFs和Fe7S8/C电极在1A/g下的长期循环性能以及Fe7S8/N-CNFs电极在1A/g下的CE。f）Fe7S8/N-CNFs电极与各种最近报道的高性能硫化铁负极的循环性能比较。

图4.a）Fe7S8/N-CNFs电极在0.2-1.2mV/s不同扫描速率下的CV曲线。b）在特定峰值电流下Fe7S8/N-CNFs的Log（i）与log（v）图。c）Fe7S8/N-CNFs在0.5mV/s下对电荷存储的电容和扩散控制贡献。d）不同扫描速率下Fe7S8/N-CNFs电容和扩散控制容量的归一化贡献率。e）Fe7S8/N-CNFs作为SIBs负极的优势示意图。

图5.第一次充电/放电后非原位表征SIBs中Fe7S8/N-CNFs电极的电化学反应机制。a）Fe7S8/N-CNFs完全放电后的非原位HRTEM图像。b）Fe7S8/N-CNFs电极完全放电后的扫描TEM图像。c）Na、d）C、e）Fe、f）S和g）N元素的相应元素映射。h）Fe7S8/N-CNFs完全充电后的非原位HRTEM图像。i）Fe7S8/N-CNFs电极完全充电后的扫描TEM图像。j）Na、k）C、l）Fe、m）S和n）N元素的相应元素映射。

图6.a）全电池示意图。b）全电池在0.1A/g时的恒电流充电/放电曲线。c）全电池在0.1A/g时的循环性能和CE。d）由全电池点亮红色LED的光学照片。

综上所述，通过简单的静电纺丝方法，设计并制备了一种独特的Fe7S8/N-CNFs杂化结构，该杂化结构将MOF衍生的纳米笼良好地封装在N掺杂的3D纳米纤维中。这种稳定的结构和Fe7S8纳米颗粒可以缩短Na+扩散距离，提高活性材料的利用率，并防止不良聚集。因此，Fe7S8/N-CNFs电极表现出高可逆容量和优异的循环稳定性。因此，这项工作中报道的工程和制造方法可能为开发用于大规模储能系统的高性能 SIBs 负极材料开辟新的道路。