低碳三壳层超结构:具有抗粉化特性的高能量锂离子电池负极材料

锂离子电池作为目前主要的储能技术之一,为新兴的便携式电子设备和电动汽车提供主要动力。为了满足市场需求,开发兼具长循环寿命和高功率的高能量密度锂离子电池迫在眉睫。然而,锂离子电池负极尤其是高容量负极材料,在锂化/去锂化过程中伴随巨大体积膨胀/收缩变化,引起材料的严重粉碎,导致电池的不可逆容量损失,同时也使得电池在循环性能和倍率性能上的严重劣化。为了解决电极粉化的问题,当前大多数研究中都将机械性能优良、导电性好的石墨碳作为负极材料的柔性基体。但是,石墨碳(~372 mAh g-1)的理论容量较低,高含量碳的引入会大大降低电池容量和能量密度,从而极大地限制了其在电动汽车中的实际应用。因此,降低负极材料中的碳含量是提高能量密度的一个有效方法。然而,构筑低碳含量、同时具有抗粉化性能的负极材料极具挑战。

近期,同济大学杨金虎教授与复旦大学的彭慧胜教授设计了一种低碳SnO2三壳层结构作为具有抗粉化功能的电池负极材料,构建了具有高能量密度、长循环寿命和高功率的锂离子电池。

研究者利用纳米组装技术,将多种纳米结构基元(纳米点,纳米棒)逐层组装形成低碳含量(4.83%)的SnO2三壳层中空结构和高含碳量(35.1%)的SnO2双壳层中空结构(上图)。发现低碳三壳层中空结构在嵌锂过程中可以承受高达约231.8%的巨大体积膨胀率,即使在1450次循环后仍然能输出高达1099 mAh g-1可逆比容量;而高碳双壳层结构在循环中会很快坍塌,性能大大衰减。原位透射电子显微镜表征和力学模拟表明,三壳层结构在锂化/去锂化锂时具有特殊的自协同结构保持机制,保护结构不会崩塌,并保证电极材料在长循环过程中的结构完整性。具体来说,外壳层在锂化过程中充分锂化,防止内壳层的过锂化和结构塌陷;反过来,在去锂化过程中,低锂化的内壳层作为坚固的内核,以支撑外壳层的巨大体积收缩应力,避免外壳层坍塌;同时,具有丰富孔隙的中间壳层在锂化和去锂化过程中提供足够的空间来适应外壳层的体积和应力变化。这项研究为开发实用、高能的锂离子电池开辟了新途径。相关研究成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201701494)上,论文第一作者为同济大学化学科学与工程博士生祖连海。

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