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具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

 随着化石燃料的迅速枯竭以及燃烧所造成的污染日益严重,人们对能源的有效利用有了更高的要求。锂离子电池作为电能和化学能的转换和存储装置越来越受到人们的广泛关注。同时,锂离子电池由于具有能量密度高,循环寿命长且对环境友好等特点,已经逐渐成为便携式电子设备的主流电源,并且被认为是可以应用于电动汽车以及混合电动汽车的驱动装置中最有前景的电源。目前,诸多领域对锂离子电池的需求量日益增大,对能量密度和快速充放电能力提出了更高的要求。然而,传统负极石墨碳材料的容量以及快速充放电能力已经达到瓶颈。因此,研发高倍率性能的负极材料以满足有效且快速的能量存储与输出迫在眉睫。

针对这些问题,最近,哈尔滨工业大学的陈刚教授课题组率先提出将二维纳米流体2D Nanofluidic)结构引入氧化钴负极材料来提高材料的倍率性能。该团队通过简单的溶胶凝胶法制备了阴离子基团表面修饰的纳米片,这些修饰的基团促使纳米片组装成能够自支撑的堆叠结构。纳米片层的间距稍小于锂离子德拜长度的二倍,可以为锂离子的传输提供二维流体通道。通道内壁的负电基团会选择性吸引锂离子,排斥负电离子,加速锂离子的传输。该纳米结构在锂离子电池的充放电过程中可以为锂离子提供快速传输的通道以实现较高的倍率性能。当组装为半电池时,在电流密度为1, 2, 3, 4, 5, 10 and 20 A g−1时,其容量可以分别达到1135, 930, 725, 554, 417, 222, 137 mAh g−1此外,二微流体通道也有效的缓解了材料在充放电过程中所发生的的体积膨胀,提高了材料的循环稳定性。在电流密度5 A g−1的条件下循环充放电1500圈,其可逆容量仍然可达375mAh g−1。将具有二维纳米流体结构的负极材料与商用的钴酸锂组装成全电池,在高电流密度下循环450圈后,其可逆容量可达到591mAh g−1该研究工作为有效提高电极材料倍率性能指明新方向,同时为构建高功率、高稳定性的锂离子电池提供了新的探索思路。这一成果近期发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上(Adv. Mater. 2017, 29, 1703909)并被选为Front Cover

 创新点如下:

1. 首次利用具有表面基团修饰的氢氧化物前驱体(本征为层状结构),并在层间以PVP作为支撑物,后经高温煅烧,原位拓扑转成带有二维流体结构的氧化钴材料(本征为非层状结构)。

 2. 该二微流体结构可以为锂离子的传输提供二维流体通道。通道内壁的负电基团会选择性吸引锂离子,排斥负电离子,加速锂离子的传输,实现较高的倍率性能。同时超薄的纳米片减少了锂离子的扩散路径,同样有利于倍率性能的提高。最后,在充放电过程中,流体通道提供了缓解体积膨胀的缓冲空间,提高了材料的循环稳定性。

 具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

1.SUCNs-SF的形态和结构表征。(a)TEM照片和(b, c, e)HRTEM照片,(f)(e)IFFT照片,(d)SUCNs-SF和块体Co3O4的拉曼光谱。

具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

2. SUCNs-SF和块体Co3O4(a, b)小角X射线散射,(c)红外光谱,(de)原子力显微镜照片,(f, g, h) XPS 元素分析。

具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

3. SUCNs-SF的电化学特性。(a)0.5 mV下前四圈的CV曲线,(b)1 A g-1电流密度下的充放电曲线,(c)1 A g-1电流密度下的循环性能和(d)不同电流密度下的倍率性能。

具有二维纳米流体通道的高倍率性能的锂离子电池负极材料

4. SUCNs-SF的电化学特性。(a)半电池中,在5 A g-1电流密度下的循环性能,(b)半电池中,在不同电流密度下的倍率性能,(c)全电池中,在1 A g-1电流密度下的循环性能和(d)与文献中性能的比较。

 材料制备过程:

具有二微流体结构的Co3O4纳米片:首先,将1 mmol的硝酸钴加入到26 ml乙醇中,待硝酸钴溶解后,在向其加入2 g PVP,搅拌至形成溶胶后,在80 ℃的条件下烘干成干凝胶。进一步地,把干凝胶以2 ℃每分钟的升温速率加热到500 ℃,并保温2 h.

 致谢:

该工作得到国家自然科学基金(编号No.21471040)的支持和美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校YuGuihua教授的合作与支持。

 

陈刚教授课题组简介

 陈刚教授带领的能量转换材料团队专注于光催化分解水、电化学储能等新型功能材料的研究。近5年在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》等期刊上发表SCI收录论文120余篇,其中ESI高被引论文6篇。团队十分重视人才培养,其中本科生1人获中国青少年科技创新奖,硕士生2人获黑龙江省优秀硕士论文,博士生1人获全国百篇优秀博士学位论文提名奖,课题组研究生团队获哈工大十佳研究生团队称号。

 参考文献:

C.Yan, C.Lv, Y. Zhu, G. Chen, J. Sun, G. Yu, “Engineering Two-dimensionalNanofluidic Li-Ion Transport Channels forSuperior Electrochemical Energy Storage”, Adv. Mater. 2017, 29, 1703909.

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