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锂离子电池负极材料取得新进展--层状碱式乙酸盐

2013-06-26 采购锂电池 阅读 135

[摘要]近年来,锂离子电池广泛应用于便携式电子设备、电动汽车以及储能电站等领域。然而,以石墨为负极材料的商用锂离子电池已不能满足人们对高能量密度、长循环寿命和快速充放电的需求。因此,开发新型的负极材料来替代传统石墨材料成为当前该领域研究的重点。


转化储锂机制显示过渡金属氧化物的理论容量在700~1000 mAh g-1之间,而实际测试中大多数过渡金属氧化物会出现可逆容量大于理论容量的“超容量”现象。研究发现,活性物质表面的固体电解质界面(SEI)膜组分(如Li2CO3、LiOH、LiAc等)在过渡金属的催化作用下会发生可逆分解与生成,从而实现更多锂离子和电子的释放和储存。根据转化机制,层状碱式乙酸钴(LHCA)经放电嵌锂后会转变为Co纳米晶、LiOH和LiAc,这与上述SEI膜的组分很相似。



这意味着LHCA可能会提供远高于转化机制的容量,即LiOH和LiAc在Co纳米晶的催化作用下会提供额外容量。受此启发,浙江工业大学和南开大学研究小组对LHCA进行了纳米化和复合化,并对其储锂行为进行了深入研究。


研究小组通过一种简单的溶剂热法制备了超薄的LHCA纳米片,使纳米片以面对面的方式负载在石墨烯表面。LHCA/石墨烯复合材料展现出超高的容量、优异的循环稳定性和倍率性能。在1 A?g-1的电流密度下循环200周后,其可逆容量约为1050 mAh?g-1,在4 A?g-1的电流密度下循环300周后,可逆容量仍可保持在780 mAh?g-1,远高于根据转化机理计算出的理论容量(约460 mAh?g-1)。


作者还通过傅里叶转换红外光谱证实了乙酸根和乙醛在循环过程中的相互转化,并提出了涉及Co纳米颗粒电化学催化转化-OH基团来实现储锂的新机制。

层状碱式盐是一个大家族,本工作对LHCA储锂性能的研究为这类材料用于储能打开了一扇窗。此外,规则形貌的纳米层状碱式盐及其复合材料的成功制备也拓展了对该材料形貌的认识以及潜在的应用空间(尤其是在储能、磁性和离子交换等领域)。


更重要的是,研究成果为设计和开发下一代储能材料提供了新的思路,同时有助于我们进一步理解SEI膜组分(特别是LiOH和LiAc)对储锂的贡献。


这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上,浙江工业大学苏利伟副教授和2016级博士研究生黑金培为共同第一作者,浙江工业大学王连邦教授和南开大学周震教授为通讯作者。


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