負載MnO納米顆粒的氮摻雜多孔碳用作鋰離子電池和鈉離子電池負極...

2021-01-21 騰訊網

可充電電池(如鋰離子電池、鈉離子電池等)作為一種重要的能源，已被廣泛應用於電子設備和電動汽車中。目前，許多研究都致力於尋找合適的鋰離子電池和鈉離子電池電極材料。MnO作為鋰離子電池潛在的負極材料，具有氧化還原電位低和理論容量高等優點。但與其他金屬氧化物類似，也具有耐久性低和導電性差的缺點。為了克服這些缺點，提高庫倫效率和循環壽命，將MnO納米顆粒分散在碳材料內部是一個非常有效的策略。另外，儘管MnO用作鈉離子負極材料已經有一些報導，但MnO基材料的鈉儲存機制仍很少被研究。因此，進一步探索MnO在鋰離子電池和鈉離子電池中的作用機制至關重要。

近日，國家納米科學中心韓寶航課題組和德國耶拿大學Philipp Adelhelm課題組合作製備了MnO/氮摻雜多孔碳複合材料(MNPC)，考察了MNPC作為負極材料的鋰離子存儲和鈉離子存儲性能；並從電化學和熱力學角度出發，對MnO基複合材料的儲鋰和儲鈉機制進行了對比和分析。

該工作以高含水量的具有三維多孔結構的水凝膠作為氮摻雜多孔碳的前驅體，通過高錳酸鉀與碳原子發生氧化還原反應，隨後在氮氣氣氛下進行熱處理，製備了形貌類似梧桐果的MNPC。(圖1)

圖1. MNPC的製備示意圖。

研究結果表明，MnO納米顆粒均勻地負載在氮摻雜多孔碳上，其中MnO的顆粒尺寸為5–20 nm左右。(圖2)

圖2. PPA、PPA-MnO2和MNPC的SEM圖、XRD圖、TEM圖以及MNPC的元素分布。

將MNPC用作鋰離子電池負極材料時，MNPC表現出較高的比容量、較好的倍率性能和出色的長循環性能。經過充放電長循環後，MnO納米顆粒的結構仍可以在材料中很好地保持。(圖3)

圖3. MNPC作為鋰離子電池負極材料的充放電曲線、倍率性能、循環性能和循環後的TEM圖。

將MNPC用作鈉離子電池負極材料時，MNPC則表現出與碳材料相似的充放電行為。通過非原位TEM和熱力學計算研究表明，在鈉離子電池中，MnO電極的體積膨脹比在鋰離子電池中大得多，使得極化增加，同時MnO的氧化還原電位接近於零，從而導致MnO難以活化。(圖4和表1)

圖4. MNPC作為鈉離子電池負極材料的充放電曲線、循環性能和非原位TEM圖。

表1. 電池的熱力學性質以及在25 °C和1 bar下放電過程的電極反應。

aΔVelectrode是MnO電極的體積變化，ΔVcell是基於活性材料的摩爾體積改變的整個電池的體積變化。所有的數據都是從HSC Chemistry軟體 (Version 8.1.4, Outotec) 中計算得到的。

這項工作從電化學和熱力學角度出發，對MnO基複合材料的儲鋰和儲鈉機制進行了對比和研究，為今後電極材料的設計提供了一些實驗和理論依據。

Synthesis and thermodynamic investigation of MnO nanoparticle anchored N-doped porous carbon as the anode for Li-ion and Na-ion batteries

Ya-Nan Sun, Liangtao Yang, Zhu-Yin Sui, Li Zhao, Mustafa Goktas, Hang-Yu Zhou, Pei-Wen Xiao, Philipp Adelhelm and Bao-Hang Han

Mater. Chem. Front., 2019,3, 2728-2737

http://dx.doi.org/10.1039/C9QM00599D

*文中圖片皆來源上述文章

通訊作者簡介

韓寶航 研究員

國家納米科學中心

韓寶航，國家納米科學中心研究員，博士生導師。南開大學學士、碩士、博士學位(1999)。之後分別在德國馬普膠體與界面研究所、加拿大渥太華大學和多倫多大學從事博士後研究。2005年加入國家納米科學中心，從事納米功能多孔材料方面的研究。具體研究方向包括：1) 有機多孔材料的設計製備及其在能源、環境、催化方面的應用；2) 石墨烯基多孔材料和基於生物質的納米多孔(碳)材料的製備及其在電化學儲能及催化方面的應用。課題組主頁: http://www.nanoctr.cn/hanbh/；Researcher ID: B-7069-2009。

趙麗 副研究員

國家納米科學中心

趙麗，國家納米科學中心副研究員。2010年於德國馬普膠體界面研究所取得博士學位，2010年-2011年，德國馬普膠體界面研究所博士後工作學習，2011年就職於國家納米科學中心。趙麗副研究員的研究領域為納米儲能材料與器件。在相關領域發表SCI收錄論文約30篇，論文被引用1860多次，獲發明專利2項，H-index = 27。

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