Energy Technology:多孔化碳化钼@碳复合阳极在锂离子电池中的稳定储能应用

锂离子电池具有能量密度高、自放电低、工作温度范围宽等优点,已广泛应用于便携式电子产品、电动汽车以及电网储能系统等领域。然而,低容量的石墨阳极已满足不了日益增长的能源需求。并且,常见的高容量阳极材料由于材料本身引起的塌陷、剧烈的体积膨胀和严重的粒子聚集等负面影响最终会导致电化学性能显著下降。近年来,Fe3C,TixCy,MoxCy和V2C等过渡金属碳化物由于成本低廉、以及环性良好等优点而受到广泛关注。其中,Mo2C由于其高的可逆容量、良好的导电性和丰富的活性位点等优势备受关注。此外,主流的Mo2C阳极主要通过构建碳基纳米复合电极,其可有效降低锂离子的扩散路径并提供更多锂离子的活性位点,进而可提高电化学储能特性。然而,目前发展的Mo2C电极其循环稳定性仍存在改善空间,并且以该材料为阳极的锂离子电池体系的储锂机理尚待进一步考量和验证。

针对该现状,宁波大学物理科学与技术学院岳闯科研组与材料科学与化学工程学院的胡芳、舒杰教授合作,通过对三氧化钼(MoO3)纳米棒改善修饰,并结合氯化钠(NaCl)模板、聚丙烯腈(PAN) 碳化技术,成功制备了电化学循环稳定性良好的多孔碳化钼@碳(Mo2C@C)纳米复合电极。此外,通过离位XRD和循环伏安技术进一步验证了其稳定的电化学储锂机制。相关成果发表在Energy Technology (DOI: 10.1002/ente.202000189)。

本项研究首先通过水热法合成三氧化钼(MoO3)纳米棒,再与聚丙烯腈(PAN)溶液混合并添加相应的氯化钠(NaCl)模板,紧接着对其碳化处理,最后将产物水洗去除氯化钠模板,获得具有高表面积的多孔碳化钼@碳(Mo2C@C)纳米复合电极。通过一系列表征分析,发现整体电极存在丰富的微纳米孔道,进而证明了模板对材料表面的成功优化及制备。该碳化钼@碳复合电极作为锂离子电池阳极,其表现出优异的倍率/循环性能。测试结果表明,在经过300圈共8组电流密度循环后,电极整体容量仍能得到良好保持,在0.2 A g-1电流密度下,其容量可达400 mAh g-1。另外,由于高比表面和微/纳米孔的存在,该材料在1 A g-1的大电流密度下,经过1000圈的循环测试,体系容量仍能维持300 mAh g-1。通过电化学动力学分析和离位XRD表征测试,发现其良好的结构稳定性,也进而推断该Mo2C@C复合电极的储锂机理:1) 在Mo2C电极中,锂离子通过可逆的插入、脱出制造容量; 2) 优异的微/纳米孔结构作为扩增界面为锂离子的储存提供了更多的活性位点。本工作可为今后实现制备电化学性能良好的锂离子电池过渡金属碳化物电极提供进一步的技术支持和实验参考。