Advanced Materials:师法自然 ——高性能人工叶片结构锂电负极材料MnO2的构筑

二维材料由于其结构的独特性,在力学、电化学、能源存储、磁学等领域展现出了巨大的应用潜力。自然界中,二维纳米结构也广泛存在于生物材料中,并展现出一些特殊的功能,这为我们进一步拓展二维仿生纳米材料的种类和应用提供了巨大的机遇。自然界中,树叶结构是一种经典而稳健的二维结构,交联的叶脉支撑能够有效提高结构的稳定性。目前,研究人员针对不同功能的人工树叶系统进行了大量的仿生研究工作,但在仿生过程中获得叶脉一样的骨架结构是一个挑战,尤其在原子尺度上仿生叶片结构还鲜有报道。从无机材料的角度来说,晶体材料由于晶格的存在更加趋向于刚性材料,而非晶材料由于原子排列的各项同性更加趋向于柔性材料。将刚性的晶体骨架引入到柔性的非晶超薄纳米基底上是构建原子级叶片结构一种有效的解决方案。

北京航空航天大学化学学院郭林教授和李丽东副教授团队发展了一种制备原子级厚度MnO2仿叶片结构的新方法。按照层生长理论,如果形状较为规整的MnO2超薄纳米片为多孔非晶态,那么在一定的震荡环境下纳米片会产生一定的扭结,随后的原子会沿着扭结层生长,根据能量最低原则,扭结处会发生重构从而产生晶体骨架结构,最终产物为叶片一样的二维多孔非晶/晶体结构。其中,叶肉样的超薄非晶六角片可以促进离子传输,叶脉样的晶体骨架可以提供稳定的机械支撑,叶孔样的多孔结构可以加速离子传输速率。作为锂离子电池的负极材料时,克服了纯 MnO2容量衰减和循环性能差的问题。 具体性能为:当电流密度为0.1 A g−1 时,MnO2的可逆容量可达1210 mAh g−1;电流密度为1.0 A g−1时,电池稳定循环2500圈而基本不衰减。

该仿生结构设计为二维人工系统的可控合成提供了重要的理论指导,为解决纯金属氧化物电极材料循环稳定性差的问题提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201906582)上,第一作者为北航化学学院博士生贾彬彬, 本工作得到国家自然基金重点项目(51532001)的资助。