鋰離子電池負(fù)極材料取得新進(jìn)展：層狀堿式乙酸鹽
近年來(lái)，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)以及儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域。然而,以石墨為負(fù)極材料的商用鋰離子電池已不能滿足人們對(duì)高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和快速充放電的需求。因此，開(kāi)發(fā)新型的負(fù)極材料來(lái)替代傳統(tǒng)石墨材料成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
轉(zhuǎn)化儲(chǔ)鋰機(jī)制顯示過(guò)渡金屬氧化物的理論容量在700~1000 mAh g-1之間，而實(shí)際測(cè)試中大多數(shù)過(guò)渡金屬氧化物會(huì)出現(xiàn)可逆容量大于理論容量的“超容量”現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，活性物質(zhì)表面的固體電解質(zhì)界面(SEI)膜組分(如Li2CO3、LiOH、LiAc等)在過(guò)渡金屬的催化作用下會(huì)發(fā)生可逆分解與生成，從而實(shí)現(xiàn)更多鋰離子和電子的釋放和儲(chǔ)存。根據(jù)轉(zhuǎn)化機(jī)制，層狀堿式乙酸鈷(LHCA)經(jīng)放電嵌鋰后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镃o納米晶、LiOH和LiAc，這與上述SEI膜的組分很相似。這意味著LHCA可能會(huì)提供遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)化機(jī)制的容量，即LiOH和LiAc在Co納米晶的催化作用下會(huì)提供額外容量。受此啟發(fā)，浙江工業(yè)大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)研究小組對(duì)LHCA進(jìn)行了納米化和復(fù)合化，并對(duì)其儲(chǔ)鋰行為進(jìn)行了深入研究。
研究小組通過(guò)一種簡(jiǎn)單的溶劑熱法制備了超薄的LHCA納米片，使納米片以面對(duì)面的方式負(fù)載在石墨烯表面。LHCA/石墨烯復(fù)合材料展現(xiàn)出超高的容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在1 A？g-1的電流密度下循環(huán)200周后，其可逆容量約為1050 mAh？g-1，在4 A？g-1的電流密度下循環(huán)300周后，可逆容量仍可保持在780 mAh？g-1，遠(yuǎn)高于根據(jù)轉(zhuǎn)化機(jī)理計(jì)算出的理論容量(約460 mAh？g-1)。作者還通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜證實(shí)了乙酸根和乙醛在循環(huán)過(guò)程中的相互轉(zhuǎn)化，并提出了涉及Co納米顆粒電化學(xué)催化轉(zhuǎn)化-OH基團(tuán)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)鋰的新機(jī)制。
層狀堿式鹽是一個(gè)大家族，本工作對(duì)LHCA儲(chǔ)鋰性能的研究為這類(lèi)材料用于儲(chǔ)能打開(kāi)了一扇窗。此外，規(guī)則形貌的納米層狀堿式鹽及其復(fù)合材料的成功制備也拓展了對(duì)該材料形貌的認(rèn)識(shí)以及潛在的應(yīng)用空間(尤其是在儲(chǔ)能、磁性和離子交換等領(lǐng)域)。更重要的是，研究成果為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)下一代儲(chǔ)能材料提供了新的思路，同時(shí)有助于我們進(jìn)一步理解SEI膜組分(特別是LiOH和LiAc)對(duì)儲(chǔ)鋰的貢獻(xiàn)。
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials 上，浙江工業(yè)大學(xué)蘇利偉副教授和2016級(jí)博士研究生黑金培為共同第一作者，浙江工業(yè)大學(xué)王連邦教授和南開(kāi)大學(xué)周震教授為通訊作者。
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