南京工業大學朱紀欣教授團隊新進展|鋰化體積應變自重構:V2O5@FeOOH異質空心納米結構助力鋰離子電池

2021-02-25 Research科學研究

朱紀欣教授團隊提出了一種高效、簡便的方法，在溫和條件下實現V2O5@FeOOH異質結構立體自組裝（圖1）。在前期V2O5電極材料多級結構調控的工作基礎上，以商用V2O5粉末為原料，於室溫下溶解，通過控制水浴反應時間，藉助Fe(NO3)3誘導V2O5納米片自組裝，在形成層次分明的多級結構的同時，實現FeOOH的原位沉積，優化立體組裝的納米異質結構。

     

圖1  立體組裝V2O5@FeOOH空心異質結構的示意圖

V2O5@FeOOH由超薄納米片自組裝而成，且具有直徑約300 nm的空腔，形貌均一。HRTEM顯示非晶態FeOOH在V2O5納米片表面的無規覆蓋，XRD與XPS譜圖結果進一步表明對異質結構中鐵系非晶態含量的有效調控（圖2）。

圖2  V2O5@FeOOH空心異質結構的微觀結構和化學成分表徵

 

將該複合異質結構應用於鋰離子電池負極，表現出穩定的可逆容量及優良的倍率性能（200 mA g-1的電流密度下，電極的可逆容量可穩定在960 mAh g-1）。V2O5@FeOOH異質電極材料性能優異的原因可總結為以下三個方面：

（1）V2O5與FeOOH放電平臺的差異，有效地限制了鋰化過程中納米花的體積膨脹，避免電極材料在充放電過程中的結構坍塌；

（2）非晶態FeOOH區域的存在豐富了V2O5的晶界/相界面，產生額外的Li+儲存位點和擴散通道，提高反應活性及儲鋰能力；

（3）在反覆進行的嵌鋰和脫鋰過程中，除了通過V2O5和FeOOH的協同作用實現應變自重構，中空結構的配置可以加快離子、電子的傳輸速率，進一步提升電池的循環穩定性（圖3）。

圖3  V2O5@FeOOH空心異質電極材料儲鋰的電化學性能

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