预留内部孔隙的MWNTs@SnO2@C复合材料用于优异的锂电和钠电储能

as为满足当前电动汽车、混合电动汽车以及新兴智能电网的动力及储能的发展需求,下一代锂离子电池需要更高的能量密度、更高的功率密度、更长的循环性能和更好的安全性。此外,在大规模储能方面,钠离子电池因其价格便宜和储量丰富等优点在近年来成为新的研究热点。为了发展高性能的电池负极材料,具有高理论容量、环境友好、原料丰富等优点的过渡金属氧化物得到广大研究者的青睐。然而金属氧化物的电导率低以及充放电过程中体积膨胀较大,这些缺点限制了其实际应用,导致电池结构破坏,循环稳定性差,以及倍率性能低等问题。针对这些问题,将金属氧化物与碳纳米材料(碳纳米管,石墨烯,碳包覆等)进行复合从而提高其导电性并有效缓冲体积膨胀,被认为是最有效的方法之一。然而实际研究表明,金属氧化物复合单一的碳材料并不能完全解决以上问题。例如碳包覆层的导电性能较差,而金属氧化物分散在高导电性的碳纳米管和石墨烯上,由于大的体积膨胀,其团聚和粉化的问题难以避免等。

针对以上问题,新加坡南洋理工大学徐梽川课题组提出了一种全新的材料设计思路,通过将金属氧化物填充在复合碳纳米材料中,并预留了内部孔隙来容纳氧化物的体积变化,从而实现高性能的锂电和钠电储能。相关结果发表在Advanced Science上。在实验过程中,在多壁碳纳米管(MWNTs)表面逐步负载SiO2/SnO2/SiO2/C层,再腐蚀掉SiO2层,最终得到了具有内部孔隙结构的MWNTs@SnO2@C复合材料。作为锂离子电池负极材料,其呈现出高的比容量以及优异的倍率性能和循环性能。在200 mA g-1的电流密度下,经过100次循环后其比容量仍然保持在944 mAh g-1. 尤其是在1600 mA g-1 的大电流下,其循环次数可高达1300次,且剩余比容量仍然大于商品化石墨负极。同样,该复合材料在储钠过程中也表现出良好的电化学性能。这主要得益于其独特的微观结构, 一、复合材料中一维的碳纳米管和表面碳层可以有效提高复合材料的导电性,同时纳米SnO2层可缩短离子的扩散距离,从而提高其倍率性能;二、表面的碳包覆层有助于形成稳定的固体电解质界面膜,且有效阻止SnO2在循环过程中发生团聚;三、大的内部孔隙可以有效容纳SnO2在循环过程中的体积膨胀和收缩,保持结构的稳定性,从而表现出高的比容量和优异的循环性能。此外,这种电极设计思路可以扩展到其他具有较大体积变化的电极材料中,如硅,锡,金属氧化物,硫等,从而实现优异的循环和倍率性能。