【能源】中空Co3O4納米顆粒鑲嵌的介孔碳納米盒用於鋰離子電池

2021-01-21 X-MOL資訊

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隨著可攜式電子設備、電動汽車等產業的壯大發展，人們對高容量和優異倍率的鋰離子電池電極材料的需求日益迫切。過渡金屬氧化物是一類價格低廉並具有較高理論比容量的材料，被認為是新一代鋰離子電池電極材料的理想選擇。但是，過渡金屬氧化物材料在充放電過程中產生的較大體積變化、嚴重的團聚以及緩慢的離子/電荷傳輸導致較低的容量和差的循環穩定性，對其實際應用產生了極大地影響。中空結構材料由於其能有效緩解充放電過程中的體積變化、充分暴露活性位點以及縮短離子擴散距離等優點而受到了廣泛關注。此外，將納米結構的活性材料與高導電性碳複合，不僅能夠有效緩解充放電過程中活性材料的體積變化和團聚，而且有利於提高電子/離子的傳輸效率。然而，如何將中空結構的過渡金屬氧化物活性材料均勻地限域在納米結構的高導電性碳材料中仍然是材料合成領域的一大挑戰。近期，新加坡南洋理工大學樓雄文教授課題組以ZIF-67納米立方塊為模板，通過刻蝕-熱解-氧化策略，合成了中空Co3O4納米顆粒鑲嵌的介孔碳納米盒（H-Co3O4@MCNBs），並將其用於鋰離子電池的負極材料。構築的H-Co3O4@MCNBs擁有獨特的結構和組成優勢，超小的中空Co3O4納米顆粒（小於20 nm）能有效緩解充放電過程中的體積變化，極大地縮短Li+的擴散距離，提供較大的活性組分與電解液的接觸面以利於快速的電子/離子傳輸；中空介孔碳納米盒能夠有效地緩解材料在充放電過程中因體積變化而引起的機械應力，提高整體結構穩定性，並且多孔結構能促進Li+的快速傳輸；超小的中空Co3O4納米顆粒均勻地鑲嵌於介孔碳納米盒壁中，使得Co3O4活性組分和導電碳有更良好的導電接觸，有利於Co3O4活性組分的電化學性能得到更充分利用。作為鋰離子電池負極材料，H-Co3O4@MCNBs展現出高的比容量、優異的倍率性能和良好的循環穩定性。這一研究結果提供了一種製備高性能中空結構過渡金屬氧化物鋰離子電池負極材料的新策略，為構建複合中空結構材料提供了新的思路和方向。

圖1. H-Co3O4@MCNBs的合成過程：Ⅰ) 刻蝕；Ⅱ) 熱解；Ⅲ) 氧化。

圖2. 掃描和透射電鏡表徵：(a,b)、(c) TA-Co NBs的掃描、透射電鏡照片；(d)、(e-l) Co@MCNBs的掃描、透射電鏡照片和組成表徵。

圖3. H-Co3O4@MCNBs的形貌和組成表徵。

圖4. H-Co3O4@MCNBs的鋰離子電池性能評估。相關研究成果發表在近期的Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者為新加坡南洋理工大學黃義博士，通訊作者為樓雄文教授、Deyan Luan博士。Co3O4 Hollow Nanoparticles Embedded in Mesoporous Walls of Carbon Nanoboxes for Efficient Lithium StorageYi Huang, Yongjin Fang, Xue Feng Lu, Deyan Luan,* Xiong Wen (David) Lou*Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202008987


http://www.x-mol.com/university/faculty/35053http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/



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