【前沿部分】
作为最重要的便携式电子设备之一，锂离子电池（LIB）由于其高能量密度和循环稳定性而被广泛应用。电极活性材料是电池的核心，对电池的性能具有决定性的影响。得益于石墨在负极中的商业化应用，使得锂离子电池占据了化学动力电池市场的主导地位。然而，在电动或混合动力电动汽车市场中，如今锂离子电池很难满足日益增长的需求。负极材料石墨的倍率性能较差，这已成为锂离子电池实现快速充放电的主要瓶颈。 湖南大学化学化工学院旷亚非教授、周海晖教授、黄中原老师课题组在超快速充放电负极材料方面做了长期的探索工作，现已取得重大突破。该课组前不久刚刚报道过一种分子束模板法制备量子点杂化碳纳米管，将其应用于锂离子电池负极时，可以实现了28秒内超快速充电，且比容量可大400mAh/g（相关研究详见DOI:10.1016/j.ensm.2018.08.016）。
近日，该课题组在超快速充放电负极材料方面又取得了新的突破，使其在产业化应用的道路上又迈进了一步。相信不久的将来，我们就不用再为手机、电动汽车充电太慢而烦恼了。旷亚非等老师课题组基于废弃生物质碳源设计并制备一种三维MnO/N掺杂新型碳纳米复合材料，将其作为锂离子电池负极材料时，在2A/g的电流密度下循环1000次后，仍能保持515.5mAh/g的高可逆容量。甚至在20A/g的超高电流密度下，经过1000次循环，仍可提供309.2mAh/g的高可逆容量，且效率超过95％，具有及其出色的快速充电能力（一分钟以内充满），相比于商品化石墨负极性能有了极大地提高。该工作由湖南大学冯巧霞、李焕新（第一作者）博士共同完成，论文在线发表于国际知名期刊Journal of materials chemistry A上（影响因子：9.931）。
【核心内容】
该工作基于绿色环保，成本低廉设计理念，以废弃生物质（荔枝壳粉）为碳的前驱体，通过合理的设计，利用荔枝外果皮（纤维素，半纤维素，木质素等）和KMnO4的氧化还原反应，在荔枝外果皮表面产生大量MnOx纳米粒子，然后加入氮源三聚氰胺在惰性气氛下高温煅烧热解，成功制得三维的MnO@NLEFC，同时，该工作在原料选取，成本控制和环境问题等方面都做了详细的考量，为锂电快充电池的商业化实际应用打下了坚实的基础。
图1 制备过程示意图。荔枝壳含有大量的含氧官能团，经过预处理后，高锰酸钾被还原成大量的MnOx纳米颗粒，再经过高温热解，被还原成MnO纳米粒子，均匀地嵌在片状三维多孔的碳材料中。
图 2 (a,b)不同分辨率下的MnO@NLEFC SEM图；(c-d) 不同分辨率下的TEM,HRTEM图。图2中可以看出MnO@NLEFC为三维纳米碳层结构，薄片尺寸大（> 1um）并折叠成各种不同的形状。HRTEM中可观察到许多直径为2~5nm的纳米粒子，进一步说明MnO纳米粒子均匀地嵌在碳层中。
图3 (a) MnO@NLEFC和LECC的拉曼图；(b) MnO@NLEFC和LECC的热重曲线；(c) MnO@NLEFC的吸脱附曲线；（d）MnO@NLEFC孔径分布图。图3中ID/IG值的增大说明了N和MnO的掺杂可以增加MnO @ NLEFC的无序结构，而热重曲线也可以得出MnO @ NLEFC中MnO的含量大约为~10％。通过BET测试表明其比表面积高达784.22m2/g，孔体积为0.67cm3/g，平均孔径为~2.78nm。
图4 MnO@NLEFC电化学性能图.(a) CV图; (b) 充放电曲线图; (c) EIS图; (d) 倍率性能图; (e) 循环性能图。MnO纳米颗粒均匀镶嵌在氮掺杂的碳基体中，使其有效的活性表面得到充分利用。 同时，掺杂的N和镶嵌的MnO纳米颗粒增加了碳材料的无序程度，显著提高了Li +的储存和迁移性能。
总之，该工作基于废弃生物质碳源设计和制备了一种MnO@NLEFC复合材料，其具有高比容量，优异的倍率性能和较长的循环寿命，在2A/g电流密度下500次循环后的可逆容量高达528mAh/g，1000次循环后的可逆容量为515.5mAh/g。 此外，在20A/g的超高电流密度下，在1000次循环后，它仍然可以提供309.2mAh/g的高可逆容量，可以作为应用于高能量密度、高功率密度的锂离子电池负极电极材料。
材料制备过程
首先，将荔枝壳球磨成细粉，在60℃下高锰酸钾溶液中预处理6小时，直到棕色粉末变成黑色。然后将其彻底洗涤干净并干燥，将预处理的荔枝壳粉与三聚氰胺均匀混合。最后，在N2气氛800℃下煅烧2小时，即可得到得到MnO@NLEFC复合材料。
Qiaoxia Feng, Huanxin Li, Zhong Tan, Zhongyuan Huang, Lanlan Jiang, Haihui Zhou, Hongyu Pan, Qiang Zhou, Shuai Ma and Yafei Kuang, Design and Preparation of Three-Dimensional MnO/N-doped Carbon Nanocomposites Based on Waste Biomass for High Storage and Ultra-Fast Transfer of Lithium Ions, J. Mater. Chem. A, 2018, DOI:10.1039/C8TA07096B
课组简介
湖南大学旷亚非、周海晖、黄中原老师课题组长期致力于能源转化储存电极材料的研究。研究方向涵盖锂/钠、钾离子电池，锂硫电池，钠硫电池，HER，ORR，OER催化等领域。目前Advanced Materials, ACS nano, Energy storage materials, JMCA等国际顶级期刊发表论文180余篇，获国家科技进步二等奖。该工作的第一作者湖南大学冯巧霞、李焕新、江岚岚等同学在多维度碳基纳米复合材料的设计、制备与合成方面有着丰富的经验，尤其在基于生物质前躯体制备多功能碳纳米复合材料方向开展了系列工作，取得了很好的成果。欢迎有电化学相关研究基础和研究兴趣的同学报考该课题组博士、硕士研究生！相关研究推荐
Energy Storage Materials, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.016; Energy Storage Materials, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.07.021; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 3875; ACS Nano 2018, 12, 208-216; Electrochimica Acta, 2017, 247, 736-744.
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。参考文献：J. Mater. Chem. A
