三维阵列高容量钠离子电池负极研究再获新进展

三维氧化铜阵列的生长机制和它的钠离子电池负极循环性能

钠离子电池,具有与锂离子电池相当的能量密度,并且由于钠资源量丰富、成本低廉等优点在大规模电化学储能中颇具应用前景,被认为是最有可能成为下一代可替代锂离子电池的新型能源,因此钠离子电池自问世以来就得到了众多学者的广泛关注。然而,虽然钠离子电池与锂离子电池电化学过程相似,但由于钠离子比锂离子半径约大,因此很难找到与之相匹配的电极材料,尤其是负极材料可选择的空间更为狭小。为了解决这一难题,研究者们制备了多种具有潜在可能性的钠离子电池负极材料,但其容量及循环性能与锂离子电池相比仍然存在很大差距,无法满足人们对能源产品的迫切需求与渴望。

具有高容量的过渡金属氧化物,一直被认为是很有研究价值的锂电负极材料,当然,它也必定具有作为钠离子电池负极的潜在可能性。氧化铜作为其中的一种,作为钠离子电池负极材料目前还未见报道。最近,中国科学院长春应用化学研究所的张新波研究员报道了一种三维多孔氧化铜纳米阵列作为钠离子电池负极材料,通过改善电极的结构,使得原本导电性能差、反应中易碎的氧化铜展现出了非常出色的容量、超长的循环寿命以及优越的倍率性能

研究人员通过原位刻蚀铜箔法首先将氢氧化铜直接生长铜箔上,然后再经过简单的热处理即得到了三维多孔的纳米氧化铜阵列。这种方法操作简便,形貌容易控制,而且易于大规模制备。这种三维多孔的氧化铜电极不仅不需要传统电极制备中的涂覆等工艺,而且还为钠离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径。更重要的是,这种阵列结构避免了在充放电过程中由于体积变化产生的结构破碎致使的电化学性能衰减。把这种三维阵列电极作为钠离子电池负极时,首次可逆放电容量高于640 mAh/g,在200 mA/g电流密度下经过450圈的充放电,仍然能保持290 mAh/g以上的比容量,并且当电流密度增加到1 A/g(~8C)时,依然有近200 mAh/g的比容量,如此优异的电化学性能在钠离子电池中鲜有报道。同时,研究人员通过与其它形貌/结构的氧化铜电极做细致了对比,结合详细、透彻的分析,更加证明了这种三维阵列结构电极的巨大优势,为下一代高性能的钠离子电池的研究提供了新的思路。该文章发表在国际著名期刊Advanced Materials上(2014, 26, 2273-2279),并被作为内封面文章出版