随着电动汽车快充、电网调频等高功率储能场景快速普及，电池在高能量密度之外，对快充能力的需求日益迫切。传统插层型正极理论容量已接近极限，依靠多电子反应的转化型正极虽容量优势突出，却长期被认为本征动力学差。现有改性方案多依赖纳米化或高比例导电碳添加，易牺牲整体能量密度，因此，迫切需要从机制层面突破转化型正极的倍率性能瓶颈。

研究团队以商业化微米级FeS₂为研究对象，首次发现其本征就具备极其优异的超高倍率充电性能： 10 C倍率下92%的容量保持率，30 C超高倍率下仍能保留60%的充电容量，性能远超多数已报道的转化型正极。通过同步辐射原位/非原位谱学表征结合多方法电化学动力学分析，系统阐明了该优异倍率性能的微观起源：高自旋态Fe²⁺可大幅降低离子迁移能垒，且反应过程中S^2-阴离子骨架维持高度稳定，为Fe²⁺和Li⁺提供了类似插层反应的快速传输通道，突破了转化型正极动力学差的传统认知。该成果以“Intrinsically ultrahigh-rate charging capability of conversion reaction cathodes and its origin: a mechanism study on FeS₂”为题发表，相关研究为高功率转化型储能电极的设计提供了全新的指导原则。

图1 FeS₂的超高倍率充电性能

FeS₂在0.1 C倍率放电后，0.05 C到 30 C宽范围倍率充电下，可逆容量和双充电平台特征均得到良好保留。充电过程过电位仅0.07~0.15 V，远低于放电过程的0.26~0.29 V，充电动力学优势显著。

图2 FeS₂充电过程动力学分析

通过CV、EIS、GITT、PITT多电化学方法联合分析，明确低电位充电平台由电荷转移控制，高电位平台由离子扩散控制，全程表观离子扩散系数最高可达10^-11 cm² s^-1，快速的Li⁺与Fe²⁺扩散是其超高倍率性能的直接原因。

图3 FeS₂初始放电过程结构演化

结合原位XRD、同步辐射XANES表征证实，放电过程中FeS₂逐步转化为纳米Fe⁰和Li₂S，Fe以无定形超小纳米颗粒形式均匀分散在Li₂S基体中，为后续充电过程Fe的快速嵌入提供了结构基础。

图4 FeS₂充电过程长程结构演化

原位/非原位XRD表征显示，低电位充电平台发生固溶反应，高电位平台发生低结晶度两相反应，生成M-FeS，无尖锐相界面形成，有效降低了离子跨相传输的阻力。

图5 FeS₂充电过程局域结构表征

Fe K边、L边和S K边同步辐射XAS表征证实，充电过程中Fe⁰被氧化为高自旋Fe²⁺，优先占据S阴离子构成的四面体位点，迁移能垒大幅降低；整个充电过程中S^2-阴离子骨架高度稳定，为离子快速传输提供通道，高电位平台的电荷补偿由S^2- 氧化为S空穴实现，无S-S二聚体生成，避免了结构恶化。

本研究打破了“转化型正极本征动力学差、倍率性能低”的传统认知，首次系统阐明了 FeS₂超高倍率充电性能的微观起源，明确了高自旋过渡金属离子和稳定阴离子骨架是实现高倍率转化型电极的两大核心设计要素，为后续筛选和开发高功率转化型储能电极提供了全新的理论指导和设计思路，有力推动了转化型正极在高功率能量存储器件中的实际应用。

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相关成果以“Intrinsically Ultrahigh-Rate Charging Capability of Conversion Reaction Cathodes and Its Origin: A Mechanism Study on FeS₂”为题发表于国际地学综合性权威期刊《CARBON ENERGY》，论文第一作者为安徽理工大学碳中和科学与工程学院教师余蓁。

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70200