首次应用于锂离子电池负极材料的Na-Mn-O纳米晶

随着对混合电动汽车、便携式电子设备以及可再生能源大规模存储系统的需求的不断增长,开发出一种能大大超过现有的锂离子电池(LIBs)技术的高效电极材料成为了一个巨大的挑战。因此,迫切需要研发出一种具有高能量密度,高功率密度和超长循环寿命的高性能负极材料。近年来,一些新型负极材料,如硅/锡基合金、金属氧化物、金属氢化物、金属硫化物和金属磷化物相关的合金化材料被研究者们广泛报导。虽然这些新型负极材料的比容量得到提高,但其倍率性能及循环稳定性仍需要进一步改善。

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锰氧化物由于具有低成本,适用性强,无毒性和安全性高等独特性质,被认为是应用于可再充电能量存储装置最具有潜力的电极材料之一。其中,水钠锰矿是一种具有如Na+、K+和Li+等阳离子的多晶型锰氧化物,由于其具有多种氧化态的独特结构而富集氧化还原反应,引起了学者们强烈的研究兴趣。值得关注的是,位于Mn-O原子层间的不同量的水分子可与阳离子共存,形成了MxMnyO2∙nH2O(M = Na+、K+和Li+)型的多样性化合物,有利于在制备过程中对晶胞参数进行有效的调控。然而,将这种含结晶水的材料应用于锂离子电池电极的相关研究鲜有报道。

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近期,武汉理工大学木士春研究课题组设计了一种新型的Na-Mn-O晶体材料,并对其结构特性和电化学性能进行了详细的研究和分析。该材料起源于MnO2纳米棒,并经历两次物相转变而成。与以往应用于电池电极的锰系氧化物材料不同的是,合成出的材料含有12.5%的结晶水。令人惊奇的是,该材料作为负极组装成纽扣电池后,表现出了非常优异的电化学性能:在连续的循环与倍率测试过程中最高可达2147 mAh/g的超高比容量(电流密度为0.1 A/g);而在4 A/g大电流密度下,经过2000次循环后仍保持547 mAh/g的容量。XRD分析进一步证实了该晶体材料在锂离子嵌入/脱出过程中未发生物相转变,其晶格参数的计算结果表明晶格体积变化<2%,在电化学条件下展现了出色的结构稳定性。此外,对该样品进行脱水处理后,其电化学性能减弱,揭示了结晶水对提高该材料的电化学性能也有着重要的促进作用。这是首次将含结晶水材料应用于锂离子电池负极。

除了应用于储锂,该水合Na-Mn-O纳米材料还在超级电容器、催化剂以及其它电池在内的能量转换和存储领域具有非常大的应用前景。武汉理工大学麦立强课题组也参与了部分研究工作。相关论文已在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201602092)上。