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