具有优异循环和倍率性能的β-MnO2/α-Fe2O3枝状纳米结构负极材料

锂离子电池作为清洁、高效、便携的储能方式之一,在很多领域内具有广阔的应用前景。如何实现高容量、大功率和长寿命的锂离子电池,依赖于其中各核心部件的结构设计和性能提升。负极材料作为锂离子电池的主要部件之一,所面临的主要问题在于其导电性差和体积效应大。这就容易导致活性材料粉化,从电极表面脱落,因而造成循环容量和倍率性能的下降。针对这些问题,可以通过控制活性材料尺寸为纳米尺度,引入空心结构,进行表面包覆和构筑多层次表面等手段加以缓解或克服。尽管这些策略单独或者其中几个的组合已经证实确能有效地改善和提高电极材料的性能,但是如能将所有策略集中体现在同一个颗粒中,便能发挥不同策略的优势,从而最大化地提高电极材料的储锂表现。这就需要在制备过程中对活性材料的尺寸、结构和表面均进行有效控制,因此非常具有挑战性。

一维异质纳米结构(β-MnO2/α-Fe2O3)与β-MnO2、α-Fe2O3的锂电性能

最近,山东大学杨剑教授课题组以β-MnO2纳米棒为晶种,通过液相反应配合高温煅烧,成功地合成出β-MnO2纳米棒为骨干,多孔α-Fe2O3为枝杈的一维异质纳米结构。(Adv. Funct. Mater., 2013, 32, 4049.)该异质纳米结构同时体现出纳米尺度、空心结构,表面包覆和多层次表面等多种有利于锂离子脱嵌的特点,有望实现储锂性能的大幅改善。这在基于该材料的锂离子电池负极材料测试中,得到了证实。该异质纳米结构在1000 mA/g的电流密度下,循环200圈仍然可以维持在1028 mAh/g,远好于相同测试条件下的单独β-MnO2、α-Fe2O3纳米棒和许多已有的锰基氧化物。在倍率性能中4000 mA/g的电流密度下,可逆比容量约为881 mAh/g。如此优异的锂电性能除了来自于对电极材料的尺寸、结构和表面有效控制以外,其成分的合理选择也很重要。选择MnO2作为锂离子电池的负极材料,是因为它具有较高的理论比容量(1232 mAh/g), 较低的放电平台(~0.30 V),丰富的储量,环境毒性小等特点,且现有报道的储锂性能都和其理论容量有很大差距,故有很大的提升空间。 选择Fe2O3与之进行杂化,主要是因为它循环稳定性比较好,且自身容量也较高,不会导致复合材料的整体容量下降太多。更重要的是,Fe2O3与MnO2之间的协同效应,可以消弱体积变化带来的负面效应;可以有效降低MnO2氧化电位,减少电极极化;可以促进电极材料上的电荷转移,有利于锂离子的脱嵌。

该工作中构筑高性能锂离子电池负极材料的思路及其制备方法,为今后锂电负极材料的理性设计与可控合成提供了经验。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

Speak Your Mind

*