Small:晶形@无定形核壳结构策略构筑纳米阵列制备柔性自支撑电极

锂离子电池是便携式电子设备最主要的储能设备,同时在电动汽车及智能电网等诸多领域具有广泛的应用前景,目前,开发高能量及高稳定性的电极材料是当前的研究重点。然而,很多高容量电极材料如硅基材料、锡基材料、过渡金属氧化物等,在循环过程中都存在严重的体积效应,严重影响电池的使用。如何提高这些电极材料的稳定性,改善电池性能,是目前迫切需要解决的问题。

中山大学吴明娒课题组利用晶形@无定形核壳结构设计策略,在晶型的Co3O4纳米阵列表面引入无定形的TiO2保护层,构筑晶形Co3O4@无定形TiO2异质结构阵列,成功制备了柔性自支撑电极材料。该电极具有以下特点:①无定形的TiO2保护层由于长程无序性与缺陷的存在,可以促进离子扩散,此外,TiO2稳定性好,可以作为弹性缓冲层缓解Co3O4材料在电化学循环过程中的体积效应;②无定形TiO2与晶形Co3O4异质界面结构具有协同效应,可以促进电子转移和离子扩散,改善电池反应动力学;③针状的Co3O4@TiO2阵列及其三维多孔结构可以有效缩短离子扩散距离,而且可以促进电解液的渗透;④纳米阵列直接生长在导电碳布基底上,不仅有效促进电子的传输,还避免了电化学惰性的导电剂和粘结剂的使用,显著提高了电池的有效能量密度。已有研究表明,与晶态相比,无定形TiO2的带隙更小、电子态密度更高,因此可以有效促进电子转移与电子传输。这种晶形@无定形核壳结构保护策略可以为缓解高容量材料的体积效应提供设计思路。

制备的自支撑电极具有很好的柔韧性和导电性,与LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523)正极组装成软包电池后也呈现稳定的电化学性能,在600 mA g-1的电流密度下循环1000次后软包电池容量仍保持670 mAh g-1。相关工作得到了国家自然科学基金和广州市科技计划等项目资助,研究成果在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202000040)上。