新型锂离子电池负极材料:壳核结构、介孔纳米立方ZnSnO3@C的构筑

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新能源汽车的发展迫切需要开发出具有能量大、功率高、使用寿命长及成本低的电化学储能设备。电极材料作为储能设备的核心,控制着整个设备的电化学反应,直接决定着设备的电化学性能。双金属氧化物ZnSnO3材料工作电压相对较低、电子导电性好且理论容量高(1317 mAh g-1),在锂离子电池负极材料应用方面具有很大潜力。但其在应用过程存在体积膨胀大的问题,导致电池结构破坏,循环性能恶化。如何调控电极材料的微观结构,获得比容量高、循环性能好且倍率性能优异的锂离子电池是当前的研究重点和难点。针对这些问题,大连理工大学化工学院/精细化工国家重点实验室陆安慧教授课题组构筑了一种壳核结构、介孔型纳米立方ZnSnO3@C的新型锂离子电池负极材料。这种结构的纳米立方通过外层炭材料的桥接作用彼此交联在一起,构成连续的电子导通骨架和相互贯通的孔通道,进而有利于储存电解液,缩短锂离子传输路径,提高材料的可逆容量和快速充放电能力。

首先,通过简单可控的共沉淀法制备ZnSn(OH)6纳米立方,通过调整反应体系条件可改变立方尺寸。随后,以多巴胺为碳源,在ZnSn(OH)6的外表面均匀包覆上一层无定形炭材料,设计合成了壳核结构的炭包覆电极材料ZnSnO3@C。相比于ZnSnO3(晶体)@C和无定形的ZnSnO3而言,这种复合结构具有更高的可逆容量、更稳定的循环性能和更优异的倍率特性,经过100次循环后,可逆容量达到1060 mAh g-1(容量保持率为93%)。这主要是得益于:1) ZnSnO3是一种亚稳态组成(高温时易转变为更稳定的Zn2SnO4物质),本研究利用多巴胺为碳源,低温(<450 oC)炭化便得到导电性的炭包覆材料,同时可形成介孔、无定形ZnSnO3结构,有利于缓冲充放电过程中ZnSnO3的体积膨胀,保持结构的完整性;2) 纳米级尺度的ZnSnO3边长约为37 nm,外部的炭层相互交联构成连续的电子导通骨架,有效提高了材料的导电性和比表面积;3) 丰富的介孔孔隙率和相互贯通的粒间孔促进了锂离子的快速传输,提高材料了的利用率。电化学测试结果表明,复合材料也能够突破单纯合金反应的限制,其储锂反应综合了合金反应和转化反应的双重特点(Li4.4Sn与LiZn合金可逆地转变为初始的ZnSnO3),因而可以提供高的可逆容量。这部分工作发表在Small, 2014, 10(13), 2637-2644。

上述研究是关于纳米尺度电极材料结构精确调控及在能源领域应用的重要进展,该工作的制备方法对多孔纳米材料的设计合成、理论研究及推广应用具有重要意义。