具有优异循环和倍率性能的石墨烯包覆无定形钒酸铜纳米花结构负极材料

advs201500154-gra-0001-m随着电动汽车的发展,构筑高能量密度,长寿命的锂离子电池已经成为研究的热点之一。为了提高锂离子电池的容量与循环性能,其关键是优化各核心部件的结构设计和提升各组成部件的性能。负极材料作为锂离子电池的主要部件之一,所面临的主要问题在于其在循环过程中电导率衰减快,体积膨胀严重。这就容易导致活性材料结构破坏,电极材料粉化,从电极表面脱落,因而造成循环容量衰减和倍率性能差。

为了解决该问题,武汉理工大学麦立强教授课题组(http://mai.group.whut.edu.cn)通过氧化还原模板法与真空热处理设计并构筑了石墨烯包覆无定形钒酸铜纳米花结构(DOI: 10.1002/advs.201500154)。研究发现,这种无定形结构展现出超高的电容特性,特别是在高扫速下,其电容控制的容量比例高达84%。这种超高的电容控制的容量有助于提高其倍率性能。同时,钒酸铜在首次放电过程中能形成金属铜,可以有效地增强电极材料的电导率,提高其循环性能。再次,这种钒酸铜纳米花由多孔纳米片构成,可以有效地提供更多电解液接触空间。通过这种策略有效地实现了储锂性能的大幅改善。石墨烯包覆无定形钒酸铜纳米花结构相比于未包覆石墨烯无定形钒酸铜纳米花与结晶的钒酸铜,显示出优异的循环稳定性和倍率性能:在100 mA g-1低电流密度下100圈循环后依然保持着1145 mA h g-1的超高比容量,同时在高电流密度20 A g-1下7000圈循环后其容量依然保持在672.5 mA h g-1

该工作为构筑新型无定形多金属氧化物锂离子电池负极材料提供了新思路。该工作得到了国家杰出青年科学基金(51425204)和国家重点基础研究发展计划(2013DFA50840)等项目资助。