ZnMn2O4中空分级微纳球形超结构形成机制及其优异储锂特性

Particle由于其储锂容量高、来源丰富、无毒安全,且放电平台低,与正极材料匹配所组装电池的电位窗口宽,能量密度高,因此,二元尖晶石型ZnMn2O4负极材料被认为是一种潜在的锂离子电池石墨负极的优良替代材料。多电子反应赋予其高储锂容量,但较高的单位原子嵌锂数也引起了其储锂过程中电极自身急剧体积变化,导致电极粉化并降低电池寿命。中空分级微纳结构可有效缓冲电极材料在嵌锂过程中体积膨胀、促进锂离子扩散并实现更高的电化学反应活性,从而改善其电化学储锂性能。但寻求简单有效的合成方法、探索其内在形成机制及构效关系一直是化学、材料、能源等学科交叉研究的热点和重点。

基于此,安徽工业大学材料学院原长洲教授课题组,结合其多年来在分级微纳超结构控制合成方面的优势,发展了简单、高效且易宏量制备的液相合成策略,可控制备了尖晶石型ZnMn2O4中空分级微纳球形超结构电极材料,并提出了“自内而外奥斯特瓦尔德熟化”中空形成机制。作为高性能锂离子电池负极材料,中空分级微纳ZnMn2O4球形超结构集(亚)微米和纳米材料二者储能优势,具有高度结构稳定性以及优良的荷质扩散/传输动力学特性。这使ZnMn2O4电极材料综合性能得到提升,展现出了优良的倍率性能、电化学可逆性及循环稳定性。扣式电池测试结果表明:在780 mA g-1的大电流密度下,经历565个连续充放循环后,其比容量仍保持为612 mAh g-1,且循环过程中库伦效率始终维持在~100%,充分显示了其潜在的应用前景。相关结果发表在Particle & Particle Systems Characterization。重要的是,该工作中所构筑的中空微纳超结构,可以作为一种普适方法,在改善其它电极材料电化学储锂性能方法得到广泛研究和应用,有望促进高性能锂离子电池的产业化发展。

相关工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及安徽工业大学研究生创新基金等项目的资助。