“小空心”Mn2O3多面体重组结构的储锂机制

as南开大学焦丽芳老师团队针对过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的转化机制存在的“纳米化”现象,遵循“顺势而为”的思想,提出利用“纳米化”优势的同时抑制“纳米化”的不足来设计合成高性能锂离子电池负极材料的新思路。团队设计合成的小空心结构Mn2O3巧妙的利用纳米化实现了结构重组,得到均一分散的、可以稳定存在的分等级结构,显著提高了Mn2O3电极的储锂电化学性能。

近年来,过渡金属氧化物作为锂/钠离子电池负极材料以其高比容量、来源广等优点得到广泛关注。这类材料遵循的转化机制会在充放电过程中将材料 “纳米化”,同时较大的体积变化张力使原有材料结构遭到不可逆破坏。然而这种“纳米化”现象也带来很多优势,比如电化学活性在“纳米化”后有一定程度的提高。虽然有分等级结构的材料结合了微米尺度材料的稳定性和纳米尺度材料的高活性等优势,当这种有分等级结构的过渡金属氧化物电极用于锂离子或钠离子电池时还会进一步发生 “纳米化”,带来诸如结构坍塌、材料粉化等现象,材料结构会遭到不同程度的破坏,造成电极材料的循环寿命短、倍率性能差。

构造空心结构被认为是能有效缓解体积变化带来的张力、提高电化学性能的有效方法之一。然而,常规的有较大空心结构的电极材料虽然有较高的比容量和倍率性能,但循环寿命较短,不能满足应用的需求。因而如何设计合成有稳定结构的过渡金属氧化物负极材料一直是研究者关注的重点。

针对这一问题,南开大学焦丽芳老师团队遵循“顺势而为”的思想,提出利用“纳米化”的优势同时抑制“纳米化”的不足来设计合成高性能锂离子电池负极材料的思路。他们以含锰金属有机框架为前驱体,利用温差带来的应力变化不同,通过高温煅烧得到了不同于常规大空心结构的单晶结构“小空心”Mn2O3多面体。这种多面体有较厚的壳层和较小的空心。当这种结构的Mn2O3用作锂电负极时,“纳米化”现象将单晶多面体重组为多晶多面体,同时小空心被重组的纳米粒子占据,在有效缓解张力的同时形成了均一分散的、可以稳定存在的分等级结构。实验结果表明,利用“纳米化”重组得到的分等级结构可以在循环过程中稳定存在,保证了电极的循环稳定性;纳米颗粒能显著提高了Mn2O3的储锂活性,实现高比容量和高倍率性能的目标。这一设计、合成思路可以拓展到其他材料,为其他电化学材料的设计和研究提供一种新角度。相关结果发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500185).

相关工作得到了国家自然科学基金(51231003)、教育部创新团队(IRT-13R30)、111计划(B12015)和南开大学博士研究生科研创新立项资助计划(68150003)的支持。