新型锂离子电池负极材料:氮掺杂多孔碳包覆硫化钴纳米颗粒复合结构的构筑

Untitled3锂离子电池因其具有良好的循环性能、较高的容量及无记忆效应等诸多优点已得到了广泛的应用。随着电动汽车的迅猛发展及其对高功率动力电池需求的不断攀升,新一代高容量、低成本的动力锂离子电池的研究开发显得尤为迫切。石墨作为现今商业化的锂离子电池负极材料,其较低的理论容量(~ 370 mAh/g)已无法满足动力电池日益增长的需求。近年来,研究者开发出了一系列基于转换反应的高容量负极材料,其中硫化钴(CoS2)理论容量可达870 mAh/g,是一种潜在的高性能储锂候选材料。然而硫化钴在充放电过程中所存在的电极材料碎裂及中间产物多硫化锂的溶解等诸多问题,使其在循环稳定性和倍率性能方面还远不能满足实际应用的需要。北京大学工学院邹如强教授课题组针对这些问题进行了深入而细致的研究,显著地提升了CoS2负极材料的倍率和循环性能。相关结果已在线发表在Small上

该团队巧妙地利用纳米金属-有机骨架材料为前驱体制备出了高性能的硫化钴复合负极材料。他们首先将纳米金属-有机骨架材料(ZIF-67)在保护性气氛下高温处理,使ZIF-67中有机配体发生碳化进而生成氮掺杂多孔碳材料。在碳化过程中,原材料中的钴离子被还原为金属钴纳米颗粒。进一步硫化处理得到氮掺杂多孔碳包覆的硫化钴纳米颗粒复合材料。在该复合结构中,外层包覆的碳结构可以提高材料的导电性,同时能有效防止硫化钴颗粒的膨胀碎裂及团聚。更为有趣的是氮掺杂多孔碳除了能为电解液提供必要的传输路径之外,也可有效吸附充放电中间产物多硫化物,缓解其溶解问题,同时内部纳米尺度的硫化钴颗粒能够缩短锂离子的扩散路径。以上因素协同作用,显著提升了硫化钴作为负极材料的电化学性能。电池测试结果表明:在100 mA/g的充放电电流密度下,经过50圈充放电循环,材料质量比容量依然保持为560 mAh/g。提高电流密度至2500 mA/g, 经过50圈充放电循环后,其质量比容量可达410 mAh/g。

该工作提出了基于纳米级金属有机骨架材料合成多孔碳包覆纳米硫化物颗粒复合材料的新方法,将为改善同类电池电极材料电化学性能提供借鉴,有望促进具有优异循环稳定性和倍率性能的锂离子动力电池的发展。