Small:可控硫掺杂制备等级氧化钴(II)锂离子电池负极材料

近年来,过渡金属氧化物(氧化镍、氧化铁、氧化钒等)在纳米储能领域研究广泛。用作锂离子负极材料时,过渡金属氧化物具有较高的理论容量、较低的成本。其中,氧化钴作为一种广泛研究的负极材料,通过转化反应进行锂离子存储,具有远高于商用石墨负极的理论容量(714 mAh/g vs. 372 mAh/g)。然而,氧化钴较低的电导率容易导致电极极化,并且在充放电过程中会产生巨大的体积膨胀。这些固有的缺点严重制约了氧化钴在锂离子电池中的实际应用。

针对以上问题,中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员和马汝广副研究员等采用可控硫化方法,对石墨烯(G)包覆的氧化钴纳米颗粒进行掺杂,得到了具有优异储锂性能的CoOS0.1@G负极材料。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.202003643)上。硫掺杂的氧化钴纳米颗粒由小颗粒堆积成球形,且硫原子进入氧化钴的晶格取代氧原子,而外部被石墨烯包裹。该结构在增加体系导电性的同时,有利于抑制电极材料在充放电过程中的体积膨胀。而且,长期循环过程中电极析出的硫会被牢牢吸附在石墨烯上,避免了多硫化物穿梭效应。以上特点均证明了材料在结构设计上的优势。作为锂离子电池负极材料,CoOS0.1@G 表现出优异的循环稳定性(0.5 A/g 电流密度下循环400圈后仍保持1573 mAh/g 的比容量)和出色的倍率性能(在5 A/g 的电流密度下仍保持627 mAh/g 的比容量)。该工作进一步采用密度泛函理论(DFT)、有限元模拟(FEA)和锂离子迁移动力学分析系统研究了CoOS0.1@G电极在充放电过程中的电化学行为,证明了硫化掺杂后氧化钴具有更快的锂离子迁移速率,更高的赝电容贡献量和更稳定的电极结构。这种调控电极材料组分和电子结构的改性策略为锂离子电池负极材料的进一步发展提供了新思路。