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构筑高性能2D纳流体锂离子传输通道

      锂离子电池(LIBs),作为最先进的储能装置,由于其高能量密度在移动市场上取得了巨大的成功,且在电动汽车领域也受到一致好评。为了进一步提高其容量,人们一直在探索新型负极材料以满足日益增长的能源需求。

过渡金属氧化物,由于其高理论容量而倍受关注。然而,转化反应过程中锂离子传输动力学的不稳定性和剧烈的体积膨胀,降低了其性能。2D纳米结构被认为是锂离子快速存储的理想骨架,因为其具有较大的活性表面积,开放性和较短的锂离子脱嵌路径。但是大多数2D纳米结构,特别是超薄性质的纳米片表面平滑,表面自由能不够稳定且容易重叠形成团聚。

鉴于此,美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校的余桂华教授和哈尔滨工业大学陈刚教授等人将层状氢氧化物采用原位拓扑转换成氧化物,成功开发出表面官能化的2D纳流体堆叠超薄Co3O4纳米片(SUCNs-SF)。并印证了合理地选择包含阴离子基团以及合适层间距前驱物,对于实现受控层间距和表面官能化是至关重要的。正如预期,将这种材料用于LIB负极时,表面带负电的2D纳流体通道SUCNs-SF显示出优异的循环稳定性,甚至在高倍率下依然具有高容量(在5A/g下循环1500次)。当电流密度分别为0.2和1A/g时,可逆容量达1230和1011mAh/g。

构筑高性能2D纳流体锂离子传输通道

图1.SUCNs-SF的形态和结构表征。(a)TEM图像和(b,c,d)HRTEM图像,(f)为(e)中的IFFT图像,(d)为SUCNs-SF和Co3O4的拉曼光谱。

构筑高性能2D纳流体锂离子传输通道

图2.SUCNs-SF的电化学特性。(a)在0.5mV下前四圈的CV以及(b)在1A/g下的充放电曲线,(c)Co3O4电极在1A/g下的循环性能和(d)不同电流密度相下的的倍率性能。

构筑高性能2D纳流体锂离子传输通道

图3. SUCNs-SF的电化学性能。(a)在半电池中5A下的循环性能和倍率性能(b),(c)在全电池中1A/g下的循环性能(负极SUCNs-SF,正极LiCoO2),(d)SUCNs-SF和先前报道的Co3O4纳米片的比容量和循环性能的比较。

对于材料所表现出的优异电化学性能,从材料的结构中不难分析出:

  • 2D纳流体通道促进了离子传输过程中的快速脱嵌;

  • 适当的层间距有效的缓解结构应力;

  • 超薄的纳米片大大所见了锂离子扩散距离。

        Chunshuang Yan, Chade Lv, Yue Zhu, Gang Chen, Jingxue Sun, and Guihua Yu,Engineering 2D Nano uidic Li-Ion Transport Channels for Superior Electrochemical Energy Storage ,Adv. Mater. 2017, 1703909,DOI: 10.1002/adma.201703909.

 

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