高性能锂离子电池负极材料β-FeOOH

锂离子电池是日常生活中不可或缺的电子产品的主流电源配置,并且将在发展中的新能源汽车领域及智能电网中起至关重要的作用。锂离子电池的能量密度和使用寿命主要由电极材料及电极的结构设计决定。近年来,很多过渡金属氧化物负极材料特别是铁基氧化物受到了广泛的关注,例如Fe2O3和Fe3O4。因为它们不仅具有很高的储锂容量(比传统的石墨负极高1-2倍),而且价格低廉。但是这些材料通常不具备多次充放电能力。因为在放电锂化及充电脱锂过程中材料具有很大的体积变化导致电极不稳,最后充放电失效。

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近期,新加坡南洋理工大学徐梽川教授课题组在开发铁基负极材料的研究中发现β-FeOOH具有超高的储锂容量,甚至比广受关注的Fe2O3和Fe3O4高20-40%。这使得这个材料非常具有竞争性。除此之外,这个材料也能快速的充放电;通过一种简单的电极设计它能拥有多达3000多次循环使用次数。相关结果发表在Advanced Energy Materials上

β-FeOOH具有非常高的储锂容量是因为其特殊的充放电反应机理。在放电锂化的过程中,铁元素的还原分步进行,依次先还原到二价,再到平均价态可能接近于一价,然后再完全转化成金属铁。从三价还原到0价对应的理论容量为905mAh g-1。另外,在低电压下有很大一部分容量贡献来源于电解液在材料表面分解形成薄膜。这些反应在充电过程中可逆程度不同,有些只有部分可逆。即使如此,在0.2 A g-1的充放电电流下,β-FeOOH也具有高达1400 mAh g-1左右的可逆容量。倍率性能研究显示,在10A g-1充放电电流下,此材料仍然有700 mAh g-1左右的容量。这对应4分钟左右的充电或者放电时间,可以提供很高的功率密度。在充放电过程中,β-FeOOH也有很大的体积变化引起电极结构不稳。这可以通过在多孔的电极中引入支撑结构来克服。β-FeOOH可以通过简单水解三价铁制备。产物通常具有纳米棒的结构。由于一维材料的本性,纳米棒在无规则堆积的时候总是形成很多空隙。所以由纳米棒组成的电极具有很多空隙,或者说电极是多孔的。这些孔可以为锂化过程中体积膨胀提供预留的空间。在多孔的电极中加入微米级的鳞片状石墨做结构支撑,可以进一步维护电极的稳定性。通过这样的设计,β-FeOOH可以拥有3000多次的循环充放电次数。这些高容量,高功率和超长循环次数的特性使得β-FeOOH具有很大开发前景。

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