原位生成三维分级多孔Fe2O3纳米片一体化电极及其优异的锂电性能

Untitled过渡金属氧化物以其高理论容量、来源广、环境友好、易于制备等优点得到广大锂电研究者的青睐。然而,由于其导电性差,充放电过程中体积变化大引起材料的形貌破坏大,龟裂严重,容易与集流体脱落等不足导致容量衰减、倍率性能差。同时,传统的电极制备过程中引入的粘结剂会包裹在活性物质表面,隐藏部分反应位点,减小活性物质与电解液的接触面,不利于电极材料充分表现其电化学性能。

 针对这些不足,南开大学焦丽芳组在铜集流体上设计合成出有三维分级结构的氧化铁纳米片一体化电极,验证了通过改善材料导电性、构筑电极材料体积变化的空间以及改变电极制备过程等方法可以设计出高性能锂电负极。相关结果发表在Advanced Energy Materials.

通过低温水热和惰性气氛中焙烧,简单方便的在铜集流体上生长出多孔Fe2O3纳米片,这些多孔纳米片相互堆叠,形成三维的网络结构。当这种特殊结构的纳米片直接用作一体化锂离子电池负极时,表现出高容量、高循环稳定性、高倍率性能的优异电化学性质。在1 A g-1的电流密度下,循环400周依然有1001 mAh g-1的容量,在20.1 A g-1的高电流密度下循环1300周后容量还保持在433 mAh g-1。优异的电化学性能可以归结于以下方面:1. 相比传统有粘结剂的加入的电极,这种一体化的电极制备方法可以使活性物质暴露出更多的活性位点参与电化学反应,表现出高容量。2. 这种原位的一体化电极构筑方式能最大限度的使活性材料和集流体牢固结合,循环过程中电极材料不易脱落,有利于循环稳定性。3. 三维的网络结构有利于电解液的浸润,有分解结构的纳米片结构稳定,二者协同有效的缩短了离子的扩散距离和提高电子的转移速率,有利于电极的高倍率性能表现。同时,有分级结构的三维网络结构能提供电极材料的体积变化空间,有效缓解张力,保持结构的稳定。4.利用电极材料部分不可逆的特点,使生成的铁单质充当导电网络,大大改善电极的导电性,提高倍率性能和循环稳定性。

这种电极设计思路和方法可以拓展到其他电极材料和功能材料的制备上,有一定的借鉴性。