锂电负极材料:碳纳米管填充氧化铁纳米粒子

由于在便携式电子器件、电动汽车和混合电动汽车中的广泛应用,锂离子电池已成为当前新能源材料与器件领域的研究主流。虽然锂离子电池具有当前商品化二次电池中最高的能量密度,但其性能仍难以满足不断发展的应用需求。因此,研发具有高能量密度与高功率密度的新型锂离子电池电极材料具有重要意义。基于转变反应机理的过渡金属氧化物表现出优良的储锂性能,例如氧化铁(Fe2O3)具有高达1007 mA h g-1的比容量,且价格低廉、储量丰富、环境友好,因而引起了研究者的广泛关注。但Fe2O3的本征电导低,在脱嵌锂过程中体积变化显著,易粉化脱落,导致其容量快速衰减。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部以碳纳米管(CNT)作为独特的纳米反应器,在CNT内可控填充Fe2O3纳米粒子,制备得到了CNT限域Fe2O3纳米粒子复合电极材料,其电化学性能优异;采用原位透射电镜方法研究了CNT填充Fe2O3粒子在充放电过程中的结构演化规律,揭示了相关储放锂机制。Energychenghuiming

CNT区别于其他碳纳米材料的独特之处在于其是由石墨烯片层卷曲而成的一维管状结构,并具有直径从不足1 nm到100 nm的一维纳米空腔。一方面,CNT的中空管腔可作为纳米反应器,用于合成高容量的锂离子电池复合电极材料;另一方面,CNT可作为纳米试管,研究被填充电极材料的电化学储锂机制。这对于高性能锂离子电池电极材料的设计和制备具有重要意义。基于此,该团队采用阳极氧化铝模板法制备了两端开口的CNT并在其管腔内可控装填Fe2O3纳米粒子,获得了Fe2O3纳米粒子/CNT复合电极材料。当用作锂离子电池负极时,限域在CNT内的Fe2O3表现出高达2071 mA h g-1的比容量。通过在透射电镜下构建纳米锂离子电池,原位研究了该复合电极材料的储放锂过程与机制。研究发现,在充电过程中,限域在CNT管腔内的带铁核的氧化锂纳米团簇尺寸远小于其包覆在CNT表面、处于开放空间的团簇尺寸,这表明CNT的纳米限域效应可显著抑制活性材料的体积变化。经深入分析,Fe2O3的高储锂容量主要源于CNT纳米限域增强的界面储锂、LiOH可逆反应生成LiH和固态电解质中间相的转变以及Fe2O3与CNT的优异电接触。

以上研究结果可为高容量、大倍率、长循环寿命锂离子电池负极材料的设计和研制提供指导和借鉴。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501755)上。

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