Small Methods: 双价态金属氧化物负极助力锂离子电池

锂离子电池(LIBs)由于工作电压高、能量密度高、循环寿命长,在各种领域中得到了广泛的应用。探索高理论容量负极材料对于LIBs的进一步发展至关重要。过渡金属氧化物如MoO3、Co3O4和Fe2O3,由于具有较高的理论容量而成为研究热点。然而,金属氧化物在充电和放电过程中会缓慢地分解成小颗粒,引起大面积的体积膨胀、收缩甚至粉化,导致活性材料与集流体分离。而且,高价态过渡金属氧化物阳极本身具有缓慢的离子扩散动力学和较差的电子电导率的内在缺陷,这也限制了它们的实际应用。为了解决这些问题,开发具有高比表面积和快速电子转移能力的过渡金属氧化物显得尤为重要。

基于以上研究背景,哈尔滨工业大学杨春晖教授和何伟东教授在能源领域国际著名期刊Small Methods上发表重要成果,通过热裂解方法制备出双价态氧化钼与氮掺杂碳纳米管复合负极,实现了高比容量和长循环的锂离子电池。合成过程中通过控制碳纳米管的量制备出可调节Mo价态的MoO2/MoO3双氧化态负极,富电子的NCNTs与MoOx分子之间的紧密接触,使得MoOx/NCNTs具有0.36 S cm-1的高电导率,从而极大地增强电子传输能力,并且减缓了充放电过程中的体积膨胀。电化学充放电测试、原位拉曼光谱以及密度泛函理论(DFT)计算揭示了不同价态Mo在不同价态下的不同电化学性能和储锂机制。这种新型的热裂解方法为先进的锂离子电池系统开发了富电子碳基体的双氧化态负极新方案。相关工作以“Metal oxides with distinctive valence states in an electron-rich matrix enable stable high-capacity anode for Li ion batteries”为题发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900753)上。