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引入“第三者”,电性能才完美

引入“第三者”,电性能才完美

过渡金属氧化物凭借高的理论比容量、低成本以及储量丰富等优点在锂离子电池负极材料中占有一席之地,已然成为取代商业石墨负极的候选者。但是单一过渡金属氧化物的实际应用受到自身缺陷的限制,例如,ZnO受充放电过程中体积膨胀大的限制,NiO受导电性差的限制。由于协同效应,几种过渡金属氧化物的复合能发挥各自的优点,并且带来一些额外的性能和形貌。并且研究发现,过渡金属氧化中引入少量的氧化钴可以明显改善电极的电化学性能。这种现象可归因于聚合物凝胶状膜的可逆生长,这种膜可参与锂存储且其形成由选用的金属物质决定。

鉴于此,本文作者通过简单的水热法和高温煅烧合成了ZnO-NiO-Co3O4纳米片(ZNC NFs)。其中ZnO和NiO是主要的活性物质,而少量的Co3O4作为催化剂以改善电极性能。这种均匀分散的2D纳米片主要由ZnO和NiO纳米颗粒的内联构成,并且颗粒尺寸大幅减小,Co3O4的引入明显改善了材料的导电性和反应活性。


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图1.ZNC NFs的(a)TEM、(b)HRTEM、(c)SAED、(d,e)STEM和对应的元素映射图以及(f)尺寸分布


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图2.(a,d)NiO、(b,e)ZnO、(c,f)ZNC NFs的高低分辨率FESEM图


当作为锂离子电池负极活性材料时,ZnO-NiO-Co3O4的初始充放电容量分别为993和1454mAh/g,而纯ZnO电极的初始放电容量为1159 mAh/g。在500 mA/g电流密度下,ZnO-NiO-Co3O4电极循环300次后的容量仍为1060mAh/g,库伦效率在98%以上。这些都说明了ZnO-NiO-Co3O4材料具有很好的电化学性能。对于纯NiO电极比容量先增大后迅速下降的现象作者也给出了解释:小尺寸NiO颗粒在初始阶段可以保持稳定,然而随着循环的进行,颗粒间的聚合变得愈发严重,进而造成容量迅速衰减。


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图3.ZnO、NiO、ZN NFs和ZNC NFs电极的电化学性能表征


通过对几种材料进行测试得知,ZnO-NiO-Co3O4复合材料具有最好的电化学性能,主要有以下几种原因:1)由ZnO和NiO纳米颗粒内联形成的2D纳米片可以有效缓解体积膨胀和严重聚合;2)均匀分散和多孔表面可以促进电解液渗透,提高材料的动力学性能;3)Co3O4可以催化聚合物凝胶状膜的可逆增长,进而提高比容量;4)杂化过程有效地改善了复合材料的导电性。

本文通过在过渡金属氧化物中引入Co3O4,明显地改善了复合材料的性能。这种想法也可以运用到其他的复合电极系统中,进一步高效地改善电池的性能。有兴趣者可以借鉴。

 

材料制备:

1.5mmolZn(CH3COO)2·2H2O, 0.5mmolNi(CH3COO)2·2H2O, 0.2mmol Co(CH3COO)2·4H2O和6mmol尿素溶在60mL去离子水中,搅拌10min。然后把溶液放入高压反应釜中180℃保持12h,通过离心洗涤的方法收集沉淀,将产物放在70℃下保持12h,最后在500℃下煅烧4h,得到ZnO-NiO-Co3O4复合纳米片。


Lun Lu, Hui-yuan Wang, Jin-Guo Wang, Cheng Wang, Qi-Chuan Jiang; Design and synthesis of ZnO–NiO–Co3O4 hybrid nanoflakes as high-performance anode materials for Li-ion batteries; J. Mater. Chem. A; 2016, DOI:10.1039/c6ta07708k


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通讯作者介绍:

王慧远:教授、博导。主要研究领域为强韧化与塑性变形;新型能源电池;晶体合成及形貌调控;第一性原理。王慧远教授是吉林省高级专家、长白山学者特聘教授、新世纪优秀人才、全国优秀博士学位论文获得者。先后承担国家自然科学基金项目、国家“863”计划、国家“973”课题(子项)、国家十二五支撑计划专题等国家级和部省级项目15项。作为主要获奖人,获国家技术发明二等奖和吉林省一等奖;已授权发明专利15项。发表SCI论文107篇,被SCI他引849次,H因子20。指导学生获中国青少年科技创新奖、全国大学生挑战杯赛二等奖;获吉林省优秀硕士学位论文2篇;7名毕业硕士生在美国、挪威、德国、荷兰等继续攻读博士。同时有吉林省机械工程学会青年委员会主任委员、中国材料研究学会青年委员会理事以及Composites Science and Technology、Composites A、Journal of Alloys and Compounds、Journal of Materials Science等11家国内外知名期刊审稿人的社会兼职。

邮箱:wanghuiyuan@jlu.edu.cn


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活动对象:

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主办单位:

能源学人微信公众号


协办单位:

  • 麦雅科学图像设计工作室(www.mic-art.com)

  • 北京艾迪润色(www.editorbar.com)

  • 广州博禾生物科技有限公司

  • 广州鹏辉能源科技股份有限公司(www.greatpower.net)


本次活动解释权归能源学人所有。

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