【研究背景】

過渡金屬氧化物因其具有較高的理論比容量、低成本等優(yōu)勢被視為理想的高性能鋰離子電池負(fù)極材料。然而電極材料在充放電過程中存在較大的體積變化致使材料粉化剝落而降低其電化學(xué)性能。空心微球材料因其具有中空結(jié)構(gòu)，比表面積大等優(yōu)勢，能顯著緩解體積效應(yīng)并縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，從而提高電極材料的循環(huán)性能及倍率性能。然而空心球因材料的振實(shí)密度低，體積能量密度低等原因限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)具有層數(shù)可調(diào)的多層空心微球來優(yōu)化電極材料，通過調(diào)節(jié)層數(shù)來改善材料以獲得的電化學(xué)性能具有重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實(shí)驗(yàn)室的陳忠偉教授報(bào)道了一種合成金屬氧化物微球且具有層數(shù)可調(diào)，組分可控特點(diǎn)的重要方法。文章以羅丹為作者身份在國際期刊 ACS Nano上全文發(fā)表了題為 “Tuning Shell Numbers of Transition Metal Oxide Hollow Microspheres towards Durable and Superior Lithium STorage”的研究論文。研究人員首次研發(fā)出四層鎳鈷錳金屬氧化物微球材料并系統(tǒng)的表征了四層空心微球的形貌，結(jié)構(gòu)與性能，同時(shí)制備出高容量鋰離子電池負(fù)極。研究人員首次使用高腳圓環(huán)暗場像模式的透射電鏡（HAADF-STEM）從不同角度對(duì)四層空心微球觀察和表征，并利用三維重構(gòu)軟件重現(xiàn)出四層空心微球的三維形貌與不同程度的微球的橫截面形貌（如圖二所示），對(duì)研究中空材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。所合成的四層空心微球具有較高的比表面積，利于鋰離子的擴(kuò)散。同時(shí)多層空心結(jié)構(gòu)在充放電過程中可以緩解機(jī)械應(yīng)力，維持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而顯著提高了復(fù)合材料電極的循環(huán)壽命及倍率性能。在0.2 A g-1 的電流密度下循環(huán)充放電250次后復(fù)合材料電極仍具有1097 mAh g-1 的容量。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 多層金屬氧化物的合成機(jī)理圖

圖2 四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖3 四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的三維重構(gòu)效果圖

圖4 四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的結(jié)構(gòu)表征

圖5 不同金屬組分的四層過渡金屬氧化物空心微球的形貌結(jié)構(gòu)與表征

圖6 不同層數(shù)的鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖7 四層鎳鈷錳金屬氧化物空心微球的電化學(xué)性能表征

【小結(jié)】

該工作的創(chuàng)新之處在于首次報(bào)道了一種簡便且通用的方法來合成過渡金屬氧化物并且設(shè)計(jì)組分可調(diào)，層數(shù)可控的空心微球。其中四層空心微球提高了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，縮短了離子擴(kuò)散路徑，從而顯著提升了電極材料的循環(huán)性能與倍率性能。這項(xiàng)工作拓寬了設(shè)計(jì)過渡金屬氧化物等材料的研究思路并可通過定向合成特定層數(shù)的中空多層材料以實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化材料所需的性能。