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高性能锂离子电池电极的化学设计:基于3D结构铜阵列集流体的Fe3O4核壳微纳结构阵列

日前,合肥工业大学化学与化工学院张卫新教授(点击查看介绍)课题组与香港科技大学杨世和教授(点击查看介绍)课题组等合作,以二维(2D)铜基底表面上生长的Cu(OH)2纳米棒阵列为前驱体,设计了一种新颖的水解耦合氧化还原反应(Hydrolysis-coupled Redox, HCR),并结合后续的热处理制备了基于3D结构铜阵列集流体的Fe3O4核壳微纳结构阵列(见图1),可以直接用作具有优异电化学性能的锂离子电池电极。相关研究成果发表在Inorganic Chemistry 上。

图1. 水解诱导氧化还原反应制备3D结构Cu/Fe3O4核壳结构阵列示意图。


过渡金属氧化物(MxOy,M=Fe、Co、Ni、Mn等)作为锂离子电池负极材料,其比容量比石墨和钛酸锂等基于嵌-脱锂机制(Li Insertion/Deinsertion)的负极材料高出数倍(NiO、Fe3O4、MnO理论比容量分别为718 mAh g-1、928 mAh g-1、755 mAh g-1,常用的石墨负极理论比容量为372 mAh g-1);而且其放电平台普遍高于石墨,可以在一定程度上避免在电极表面析出与形成锂枝晶,有利于改善电池安全性能。


生长于三维(3D)阵列结构金属集流体上的过渡金属氧化物构成核壳微纳结构阵列,其壳层过渡金属氧化物与内核金属集流体的三维(3D)阵列单元密切接触,这将有利于缩短锂离子扩散路径、提供快速的电子输运途径。此外,基于有序的3D阵列结构集流体生长的过渡金属氧化物构成核壳微纳结构阵列,可遏制电化学转化反应中壳层活性物质发生径向断裂、塌陷,提高阵列结构的导电性和结构稳定性。同时,彼此独立的阵列结构可以有效提高电极/电解液界面接触面积,缓冲活性材料充放电过程中的体积变化,抑制活性材料的团聚现象等,从而有效改善电极的倍率性能,增强电极的循环稳定性。这种三维Cu/Fe3O4核壳结构阵列有望成为下一代锂离子电池电极的理想选择之一。


该课题组提出以直接生长在铜基底上的Cu(OH)2纳米棒阵列作为前驱体,在室温下将Cu(OH)2纳米棒浸入到新鲜配制的FeSO4溶液中,通过控制溶液pH值和Fe2+离子的水解,使氧化和还原电位都不高的Fe2+离子与Cu(OH)2之间在接触界面处发生氧化还原反应,制得核壳结构的Cu2O/Fe(OH)3纳米棒阵列,然后在氩/氢气氛中热处理将Cu2O核原位还原为金属Cu,Fe(OH)3壳还原为Fe3O4,得到3D结构Cu/Fe3O4核壳纳米棒阵列。其中的高导电性的铜纳米棒阵列与铜基底一起形成了一个3D构造的集流体。将3D结构Cu/Fe3O4核壳纳米棒阵列直接作为锂离子电池的电极表现出了高比容量、高循环稳定性(5 C电流密度下500次循环容量保持在543.5 mAh g-1,容量保持率为85%)和优异的倍率性能(15 C下容量可达到293.2 mAh g-1)。研究结果显示,将这种3D结构Cu/Fe3O4纳米棒阵列作为负极与LiNi0.5Mn1.5O4构造的正极匹配组装成全电池具有较高的能量密度(327.6 Wh kg-1),并具有优异的倍率性能与循环性能(如图2所示)。

图2.(a)以3D结构Cu/Fe3O4核壳纳米棒阵列为负极,LiNi0.5Mn1.5O4为正极构建全电池的示意图;(b)全电池的充放电曲线(能量密度与电压);(c)全电池倍率循环性能图;(d)全电池循环性能(1C=140 mA g-1)。


该论文作者为:Heyun Gu, Yingmeng Zhang, Mengqiu Huang, Fei Chen, Zeheng Yang, Xiaoming Fan, Sheng Li, Weixin Zhang, Shihe Yang, Mei Li

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Hydrolysis-Coupled Redox Reaction to 3D Cu/Fe3O4 Nanorod Array Electrodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries

Inorg. Chem., 2017, 56, 7657-7667. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b00112


导师介绍

张卫新

http://www.x-mol.com/university/faculty/19893

杨世和

http://www.x-mol.com/university/faculty/19044


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