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 為了鋰離子電池(LIBs)的發(fā)展，尋找高性能的負極材料替代較低容量的石墨是一個關鍵問題。因此，開發(fā)高能量密度、長循環(huán)壽命和低成本的新型負極材料成為研究重點。金屬氧化物，容量高且對環(huán)境友好，是有前景的候選材料之一;然而，其在充放電期間的巨大體積變化使得材料易粉碎和聚集，導致電池循環(huán)壽命差。此外，金屬氧化物通常導電性較差，會影響活性材料的充放電速度和利用率。為了減輕這些問題，需要將金屬氧化物材料粒徑減小到納米尺度，并與其他導電骨架材料(如碳材料)結(jié)合在一起。近，南京大學的金鐘教授課題組設計了一種簡便的兩步方法(圖1)，合成了MnO顆粒填充的氮摻雜碳納米膠囊(MnO@NC)材料，該材料呈現(xiàn)出核桃狀多核殼結(jié)構，不僅提供了良好導電性和較短的離子擴散路徑，而且能有效地緩解循環(huán)中MnO納米顆粒的體積膨脹。作為負極材料時，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。該工作近發(fā)表在Advanced FunctionalMaterials, 2018, 1800003上。

圖1. MnO@NC納米膠囊的合成步驟示意圖。

圖2. MnO@NC納米膠囊作為LIBs負極的電化學性能;(a)CV曲線，(b)在500 mA g-1電流密度下的充放電曲線;(c)在500 mA g-1電流密度下進行500次循環(huán)的循環(huán)性能;(d)在100至5000 mA g-1下的倍率性能。

圖3.(a)MnO@NC納米膠囊作為LIBs負極的長期循環(huán)性能;(b)MnO@NC納米膠囊中鋰離子嵌入/脫出過程示意圖。

研究發(fā)現(xiàn)，核桃狀多核殼結(jié)構的MnO@NC納米膠囊作為LIBs負極，顯示了良好的電化學性能(圖2)。在500 mA g-1的電流密度下，500次循環(huán)后容量保持在767 mAh g-1。在100, 200, 500, 1000, 2000, 3000, 5000 mA g-1的電流密度下容量分別為762,707, 643, 570, 512, 454和358 mAh g-1;當電流密度恢復到500 mA g-1時，容量恢復并保持在658 mAh g-1，體現(xiàn)良好的倍率性能。在1000mA g-1電流密度下循環(huán)1000圈之后，容量仍然保持在624 mAh g-1，庫侖效率接近100%，體現(xiàn)了優(yōu)越的循環(huán)性能(圖3)。此外，將其于正極材料LiFePO4進行搭配，組裝成軟包全電池，也展示了良好的柔韌性和循環(huán)性能。

通過機理分析可知，MnO@NC納米膠囊具有優(yōu)良電化學性能的原因是:(1)獨特的核桃狀多核殼結(jié)構縮短了離子傳輸路徑，并可以緩解充放電過程中體積膨脹產(chǎn)生的機械應力;(2)氮摻雜碳殼層改善了材料的導電性，有利于電子或離子的傳輸;(3)核桃狀多核殼結(jié)構防止了MnO納米顆粒的團聚，有效地保證電極材料的結(jié)構在長時間循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，不被破壞。

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.

原標題:核桃狀多核殼結(jié)構的MnO顆粒填充氮摻雜碳納米膠囊用于高容量、長壽命鋰離子存儲