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核桃状多核壳结构的MnO颗粒填充氮掺杂碳纳米胶囊用于高容量、长寿命锂离子存储

为了锂离子电池(LIBs)的发展,寻找高性能的负极材料替代较低容量的石墨是一个关键问题。因此,开发高能量密度、长循环寿命和低成本的新型负极材料成为研究重点。金属氧化物,容量高且对环境友好,是有前景的候选材料之一;然而,其在充放电期间的巨大体积变化使得材料易粉碎和聚集,导致电池循环寿命差。此外,金属氧化物通常导电性较差,会影响活性材料的充放电速度和利用率。为了减轻这些问题,需要将金属氧化物材料粒径减小到纳米尺度,并与其他导电骨架材料(如碳材料)结合在一起。最近,南京大学的金钟教授课题组设计了一种简便的两步方法(图1),合成了MnO颗粒填充的氮掺杂碳纳米胶囊(MnO@NC)材料,该材料呈现出核桃状多核壳结构,不仅提供了良好导电性和较短的离子扩散路径,而且能有效地缓解循环中MnO纳米颗粒的体积膨胀。作为负极材料时,表现出优异的电化学性能。该工作最近发表在Advanced Functional Materials, 2018, 1800003上。

核桃状多核壳结构的MnO颗粒填充氮掺杂碳纳米胶囊用于高容量、长寿命锂离子存储

1. MnO@NC纳米胶囊的合成步骤示意图。

核桃状多核壳结构的MnO颗粒填充氮掺杂碳纳米胶囊用于高容量、长寿命锂离子存储

2. MnO@NC纳米胶囊作为LIBs负极的电化学性能;aCV曲线,(b)在500 mA g-1电流密度下的充放电曲线;(c)在500 mA g-1电流密度下进行500次循环的循环性能;(d)在1005000 mA g-1下的倍率性能。

核桃状多核壳结构的MnO颗粒填充氮掺杂碳纳米胶囊用于高容量、长寿命锂离子存储

3.aMnO@NC纳米胶囊作为LIBs负极的长期循环性能;(bMnO@NC纳米胶囊中锂离子嵌入/脱出过程示意图。

研究发现,核桃状多核壳结构的MnO@NC纳米胶囊作为LIBs负极,显示了良好的电化学性能(图2)。在500 mA g-1的电流密度下,500次循环后容量保持在767 mAh g-1。在100, 200, 500, 1000, 2000, 3000, 5000 mA g-1的电流密度下容量分别为762,707, 643, 570, 512, 454358 mAh g-1;当电流密度恢复到500 mA g-1时,容量恢复并保持在658 mAh g-1,体现良好的倍率性能。在1000mA g-1电流密度下循环1000圈之后,容量仍然保持在624 mAh g-1,库仑效率接近100%,体现了优越的循环性能(图3)。此外,将其于正极材料LiFePO4进行搭配,组装成软包全电池,也展示了良好的柔韧性和循环性能。

通过机理分析可知,MnO@NC纳米胶囊具有优良电化学性能的原因是:1)独特的核桃状多核壳结构缩短了离子传输路径,并可以缓解充放电过程中体积膨胀产生的机械应力;(2)氮掺杂碳壳层改善了材料的导电性,有利于电子或离子的传输;(3)核桃状多核壳结构防止了MnO纳米颗粒的团聚,有效地保证电极材料的结构在长时间循环过程中保持稳定,不被破坏。

Guoyin Zhu, Lei Wang, Huinan Lin, LiaoboMa, Peiyang Zhao, Yi Hu, Tao Chen, Renpeng Chen, Yanrong Wang, Zuoxiu Tie, JieLiu, and Zhong Jin. Walnut-Like Multicore-Shell MnO EncapsulatedNitrogen-rich Carbon Nanocapsules as Anode Material for Long-Cycling andSoft-Packed Lithium-Ion Batteries,Adv. Funct.Mater.2018, 1800003.

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