Small Methods: ZnO纳米线嵌锂和嵌钠的原位研究以及循环性能

smtd201700202-gra-0001-m伴随着锂离子电池在各类电子设备中的大规模应用,含锂化合物的需求也逐年攀升。每年电池工业消耗了大约四分之一的含锂化合物原材料。由于锂元素在地壳中的含量有限,含锂化合物(如Li2CO3)的价格也逐渐升高。相对于锂元素,钠元素在地壳中的含量相当丰富。含钠化合物原材料碳酸钠石每吨的价格大约只有含锂化合物原料碳酸锂的1/30。 基于钠元素的钠离子电池在价格上将具备更大的竞争力。尽管锂元素和钠元素都是碱金属元素,并且有相似的化学性能,高容量电极材料的的锂化合机制和钠化合机制却并不相同。ZnO作为锂离子电池的负极材料,具备高达978mAh/g的理论容量。实际应用上,由于ZnO的导电率低等因素,基于ZnO负极的锂离子电池的循环和倍率性能很差。目前ZnO在钠离子电池中的研究很少。研究ZnO作为钠离子负极材料的循环和倍率性能,以及ZnO在锂化合和钠化合机制上的差异具有重要意义。

美国阿贡国家实验室的Dr. Jun Lu课题组和伊利诺伊大学芝加哥分校的Dr. Reza Shahbazian Yassar课题组利用原位TEM技术研究了ZnO纳米线锂化合和钠化合的机制,并对比了锂化后和钠化后ZnO纳米线的力学性能。原位TEM和电池测试的比较发现,锂化后的ZnO纳米线生成了LiZn相。LiZn相的脆性特质使得循环过程中ZnO纳米线中生成大量的纳米裂纹。这些裂纹最终导致在原位挤压过程中纳米线脆断。而钠化合的ZnO纳米线中出现了大量的沿着 [0001] 方向生长的位错。这些位错赋予了ZnO纳米线很强的柔韧性,使其在在大约60°的弯曲条件下仍具备可恢复性。基于ZnO负极的钠离子电池在100圈循环之后的容量仍保持在70%。而ZnO负极的锂离子电池在100循环之后只剩余20%的容量。ZnO负极的钠离子电池更优异的循环性能和其钠化合后较强的柔韧性有关。钠化合后ZnO纳米线的柔韧性保证了其钠离子和电子传输通道的完整性,从而提升了其循环性能。这一研究将电极材料的力学性能和电化学循环性能联系起来,对于ZnO电极材料的设计有很大的指导意义。

Speak Your Mind

*