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高储锂性能的低碳含量/三重壳/中空结构SnO2@C

高储锂性能的低碳含量/三重壳/中空结构SnO2@C引      言

锂离子电池(LIB)广泛应用于新型便携式电子和电动汽车(EV)等设备,因此有必要开发高能量密度、长寿命和高功率输出的LIBSnO2是一种极具潜力的负极材料,由于其较高的理论存储容量(≈782mA/g)和适宜的工作电位(≈0.6V vs Li+/Li)。然而,在材料充放电过程中,SnO2较大的体积变化(≈250)将导致严重的结构崩塌和不稳定的SEI形成,从而造成电池性能的衰退。迄今为止,在超过1000次循环仍能够输出高可逆容量(800mAh/g)SnO2基材料电池屈指可数。

成果简介

鉴于此,香港科技大学的彭慧胜教授和同济大学的杨金虎教授课题组在SnO2纳米球表面逐层生长/自组装各种SnO2单元,并辅以碳前躯体的碳化/涂覆技术,成功地合成了低碳含量(4.83%)的三重壳中空结构SnO2 (TSHS),并且材性能及其优异,并将成果发表于国际材料期刊Advance Materials(IF=19.791, 2016)。


高储锂性能的低碳含量/三重壳/中空结构SnO2@C

图1.TSHSs和DSHSs的合成线路,形态以及结构表征。(a)SnO2双壳结构(DSHS)和三重中空结构(TSHSs)的合成线路;SnO2 DSHSs的SEM(b)和TEM图像(c,d);(d)中的插图是任意选择的SnO2@C纳米点的高分辨率TEM图像;SnO2 TSHSs的SEM(e)和(f, g)TEM图像;(g)中的TEM图像对应于(f)中的矩形区域;(g)中的插图分别是放大(右下)和高分辨率(右上)TEM图像,分别显示了SnO2纳米棒阵列和单层纳米棒涂覆的有几层石墨烯组装的第三层壳。

高储锂性能的低碳含量/三重壳/中空结构SnO2@C图2. TSHSs和DSHSs的电池性能。(a)SnODSHS和TSHS电极在室温下扣式半电池中在2.5-0.05V之间以0.5A/g的循环性能;(b)SnO2 TSHS电极在0.5A/g下循环第10,第100,第400,第1000和第1450次的恒流充放电曲线;(c)SnO2 DSHS和TSHS电极在0.2和16A/g下的倍率性能

电化学性能测试表明:在0.5A下可以输出高达1099mAh/g的容量,并且循环1450次后容量保持率接近100%。除此之外,材料具有高功率输出特性(在4A/g下达416mAh/g)和较长的循环寿命(循环1200次)。

机制分析

力学模拟和原位透射电镜(TEM)镜表明,TSHS在锂化/脱锂时能够实现自协同结构保护(SSSP)行为,可保护上层结构不会崩溃,以保证电极长期循环过程中的结构完整性。具体来说,外壳在嵌锂过程中完全锂化,防止了内壳的过锂化和中断;反过来,在脱锂过程中,下层的内壳作为坚固的核心来支撑外壳巨大的体积收缩;同时,具有丰富孔隙的中间壳还可提供足够的空间,以适应在锂化和脱锂期间由外壳导致的体积变化。

这项研究建立了一个原型模型,以识别已广泛应用于LIB的中空或多壳结构负极所涉及的具体工作机制。这种新颖的SSSP概念提供了一种新的策略,即使用无碳负极材料或含碳少的负极材料来构筑抗粉化电极,并应用于具有高能量、长循环和高功率特点的的高能LIB

参考文献  


Lianhai Zu, Qingmei Su, Feng Zhu, Bingjie Chen, Huanhuan Lu, Chengxin Peng, Ting He, Gaohui Du, Pengfei He, Kai Chen, Shihe Yang, Jinhu Yang, and Huisheng Peng, Antipulverization Electrode Based on Low-Carbon Triple-Shelled Superstructures for Lithium-Ion Batteries, Adv. Mater. 2017, 1701494, DOI: 10.1002/adma.201701494 


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