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石墨化碳包覆SnOxSiO2的纳米电缆结构应用于高性能自支撑锂离子电池负极材料

随着便携式电子设备和电动汽车的广泛应用和快速发展,开发具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池变的越来越迫切。锡基锂离子电池负极材料因其具有高比容量、高安全性等优点,成为商用石墨负极潜在的替代材料,受到了广泛关注。然而锡基材料在充放电过程中通常伴随着较大的体积变化,且容易发生纳米颗粒的聚集,从而限制了其在锂离子电池中的进一步发展和应用。设计高效的碳网络骨架结构,构筑碳/锡基复合材料是最有效的解决手段之一。相比于还原氧化石墨烯,化学气相沉积(CVD)生长的薄层石墨化碳具有更少的缺陷和更高的导电性,是一种理想的原位包覆层材料。但由于金属氧化物在高温还原气氛下结构不稳定,在其表面原位生长石墨化碳包覆层目前仍然具有很大的挑战性。

石墨化碳包覆SnOxSiO2的纳米电缆结构应用于高性能自支撑锂离子电池负极材料

日前,国家纳米科学中心智林杰研究员课题组采用静电纺丝和原位化学气相沉积相结合的方法设计构建了一种新型的碳网络骨架结构,即将石墨化碳卷曲成管而电极活性物质分散在管内形成的纳米电缆状网络骨架结构。该纳米电缆复合材料具有独特的层次碳网络结构,不仅具有连续的石墨化碳管壁层,而且在管内分布有三维的碳网络与活性材料形成的复合结构。这种具有高长径比的纳米电缆交织而成的柔性薄膜具有稳定的骨架结构和高效的长程导电网络,同时原位生长的石墨化碳可以有效缓冲充/放电循环过程中离子脱出/嵌入过程带来的结构应力,抑制活性材料的粉化和团聚,增强循环稳定性。在100 mA g-1的电流密度下,该新型电极材料不仅展现出高达1164 mAh g-1的可逆放电比容量,即使200次循环后其比容量也基本没有衰减,而且还具有优异的倍率特性,当电流密度增加到1.6 A g-1时,仍然可以保持760 mAh g-1的容量。此外,这种自支撑薄膜具有良好的柔韧性,可以直接作为电极极片使用,而不需要额外的集流体和任何添加剂,从而有效提高锂离子电池的实际能量密度。以上研究表明,该材料是一种很有发展前景的锂离子电池负极材料,同时这种新型的石墨化碳纳米电缆结构将为构筑其他碳网络骨架结构,设计制备新颖的杂化材料提供新的思路,对于拓展碳基复合材料在其他领域中的应用,具有重要的指导借鉴意义。

相关成果发表在Advanced Energy MaterialsDOI:10.1002/aenm.201502495)上。

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