鋰離子電池負極材料取得新進展：層狀堿式乙酸鹽
近年來，鋰離子電池廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車以及儲能電站等領域。然而,以石墨為負極材料的商用鋰離子電池已不能滿足人們對高能量密度、長循環(huán)壽命和快速充放電的需求。因此，開發(fā)新型的負極材料來替代傳統(tǒng)石墨材料成為當前該領域研究的重點。
轉化儲鋰機制顯示過渡金屬氧化物的理論容量在700~1000 mAh g-1之間，而實際測試中大多數(shù)過渡金屬氧化物會出現(xiàn)可逆容量大于理論容量的“超容量”現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，活性物質表面的固體電解質界面(SEI)膜組分(如Li2CO3、LiOH、LiAc等)在過渡金屬的催化作用下會發(fā)生可逆分解與生成，從而實現(xiàn)更多鋰離子和電子的釋放和儲存。根據(jù)轉化機制，層狀堿式乙酸鈷(LHCA)經(jīng)放電嵌鋰后會轉變?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可能會提供遠高于轉化機制的容量，即LiOH和LiAc在Co納米晶的催化作用下會提供額外容量。受此啟發(fā)，浙江工業(yè)大學和南開大學研究小組對LHCA進行了納米化和復合化，并對其儲鋰行為進行了深入研究。
研究小組通過一種簡單的溶劑熱法制備了超薄的LHCA納米片，使納米片以面對面的方式負載在石墨烯表面。LHCA/石墨烯復合材料展現(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，遠高于根據(jù)轉化機理計算出的理論容量(約460 mAh？g-1)。作者還通過傅里葉轉換紅外光譜證實了乙酸根和乙醛在循環(huán)過程中的相互轉化，并提出了涉及Co納米顆粒電化學催化轉化-OH基團來實現(xiàn)儲鋰的新機制。
層狀堿式鹽是一個大家族，本工作對LHCA儲鋰性能的研究為這類材料用于儲能打開了一扇窗。此外，規(guī)則形貌的納米層狀堿式鹽及其復合材料的成功制備也拓展了對該材料形貌的認識以及潛在的應用空間(尤其是在儲能、磁性和離子交換等領域)。更重要的是，研究成果為設計和開發(fā)下一代儲能材料提供了新的思路，同時有助于我們進一步理解SEI膜組分(特別是LiOH和LiAc)對儲鋰的貢獻。
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials 上，浙江工業(yè)大學蘇利偉副教授和2016級博士研究生黑金培為共同第一作者，浙江工業(yè)大學王連邦教授和南開大學周震教授為通訊作者。
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