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​石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球负极的储锂性能

ZnO作为锂离子电池负极材料,能够通过转化反应和合金化反应机制与锂离子相互作用,表现出比传统石墨负极更高的理论比容量和适中的工作电压(可避免形成锂枝晶),对提高锂离子电池的能量密度和安全性能具有重要意义。然而,循环过程中ZnO材料剧烈的体积变化和差的电子传导性严重制约其循环和倍率性能。如何有效提高ZnO负极材料的储锂性能是其实现规模化应用的关键。最近,厦门大学彭栋梁教授(通讯作者)和谢清水助理教授(第一作者)通过简便的双静电吸附组装的方法成功合成了石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球。得益于在原子缺陷(氧空位)、结构、维度和成分方面的多尺度协同设计,合成的ZnO基复合材料作为锂离子电池负极时表现出高的可逆容量和优异的循环与倍率性能。该文章发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。

​石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球负极的储锂性能

图1.石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球的合成示意图。

如图1所示,实验以自制的柠檬酸锌实心微米球为锌源,通过两次简便的室温静电吸附过程合成氧化石墨烯包覆柠檬酸锌锰空心微球前躯体,接着在惰性气氛下热处理合成最终产物,即还原氧化石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球。

​石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球负极的储锂性能

图2.石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球的形貌及微结构表征。 

如图3所示,石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球作为锂离子电池负极在100 mA/g电流密度下循环时,其首次库伦效率为67.3%;经过小电流(300 mA/g)活化后该负极材料在大的电流密度(2000 mA/g)下充放电时表现出优异的循环稳定性,1000次循环后可逆容量约为843 mA h/g;长循环后仍表现出高的倍率性能,在5000 mA/g电流密度下的可逆容量约为422 mA h/g。

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图3.石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球的储锂性能。

如图4所示,作者通过DFT模拟计算了样品内部氧空位引起的电荷转移现象,并指出氧空位引起的面内局域电场有利于循环过程中锂离子和电子的扩散迁移,能够提高电化学反应动力学特性和高倍率循环性能。

​石墨烯包覆ZnO-Mn-C纳米片组装空心微球负极的储锂性能

图4.氧空位引起电荷转移现象的理论计算及其对循环过程中电子和离子迁移扩散的加速作用。 


致谢:

该研究成果获得国家重点研发计划“纳米专项”(No.2016YFA0202602),国家自然科学基金项目(Nos.51571167和51701169),福建省自然科学基金项目(No. 2017J05087),福建省高校青年自然基金重点项目(No.JZ160397)和福建省中青年教师教育科研项目(No.JAT160017)的大力支持。感谢武汉理工大学麦立强教授、厦门大学朱梓忠教授在材料性能测试和理论计算方面的大力支持。

 

参考文献:

Qingshui Xie, Pengfei Liu, Deqian Zeng, Wanjie Xu, Laisen Wang, Zi-Zhong Zhu, Liqiang Mai, and Dong-Liang Peng, Dual Electrostatic Assembly of Graphene Encapsulated Nanosheet-Assembled ZnO-Mn-C Hollow Microspheres as a Lithium Ion Battery Anode Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201707433.

 

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