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氮掺杂碳胶囊助力铁基负极材料的超快锂离子存储

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展,制备具有高能量密度和高功率密度的锂离子电池的需求迫在眉睫。过渡金属氧化物(TMO)具有高理论比容量(700 – 1000 mAh g-1)和宽电压范围内安全性高的优势,是潜在的锂离子电池负极材料。然而,由于电导率差,动力学滞后和结构不稳定等问题的制约,TMO应用潜力受到很大的限制。氮掺杂碳胶囊助力铁基负极材料的超快锂离子存储

为解决上述问题,华南理工大学吴松平团队在没有使用任何模板剂的情况下成功地合成了内部具有自形成通道的氮掺杂碳包覆四氧化三铁纳米胶囊Fe3O4@NC nanocapsules with self-formed channels)。其中,自形成的通道不仅可以缓冲锂化后Fe3O4颗粒的体积膨胀,还可以有效地促进离子迁移。氮掺杂的碳层提高了材料的整体导电性,同时保证了长周期循环过程中的结构稳定性和完整性。因此,Fe3O4@NC纳米胶囊电极表现出了优异的锂存储能力,即使在超大电流密度(20 A g-1)下循环1000圈后,仍然可以保持480 mAh g-1的高可逆比容量。储能机理研究(包括在锂化/去锂化过程中交流阻抗和直流极化内阻的变化;表观锂离子扩散系数变化以及赝电容的贡献比)表明自形成的通道不仅加快了锂离子的扩散动力学,而且增加了更多的赝电容行为,从而有效地实现了快速电荷存储。该项研究在采用“增/减材”方式形成碳胶囊和原位造孔等方面进行了有益的探索,对三维结构的有效构建有一定的启示,并就构/效关系开展了富有成果的工作,相关经验可以拓展到相关材料合成领域。

相关论文以“Self-Formed Channel Boosts Ultrafast Lithium Ion Storage in Fe3O4@Nitrogen-Doped Carbon Nanocapsule”为题目发表在期刊 ACS Appli. Mater. & Inter.上(DOI: 10.1021/acsami.9b16184)。本文的第一作者是华南理工大学化学与化工学院的硕士生段欢欢,通讯作者为吴松平老师。

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参考文献:ACS Appli. Mater. & Inter.

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