具有二維納米流體通道的高倍率性能的鋰離子電池負極材料

隨著化石燃料的迅速枯竭以及燃燒所造成的污染日益嚴重，人們對能源的有效利用有了更高的要求。鋰離子電池作為電能和化學能的轉換和存儲裝置越來越受到人們的廣泛關注。同時，鋰離子電池由於具有能量密度高，循環壽命長且對環境友好等特點，已經逐漸成為攜帶型電子設備的主流電源，並且被認為是可以應用於電動汽車以及混合電動汽車的驅動裝置中最有前景的電源。目前，諸多領域對鋰離子電池的需求量日益增大，對能量密度和快速充放電能力提出了更高的要求。然而，傳統負極石墨碳材料的容量以及快速充放電能力已經達到瓶頸。因此，研發高倍率性能的負極材料以滿足有效且快速的能量存儲與輸出迫在眉睫。

針對這些問題，最近，哈爾濱工業大學的陳剛教授課題組率先提出將二維納米流體（2D Nanofluidic）結構引入氧化鈷負極材料來提高材料的倍率性能。該團隊通過簡單的溶膠凝膠法製備了陰離子基團表面修飾的納米片，這些修飾的基團促使納米片組裝成能夠自支撐的堆疊結構。納米片層的間距稍小於鋰離子德拜長度的二倍，可以為鋰離子的傳輸提供二維流體通道。通道內壁的負電基團會選擇性吸引鋰離子，排斥負電離子，加速鋰離子的傳輸。該納米結構在鋰離子電池的充放電過程中可以為鋰離子提供快速傳輸的通道以實現較高的倍率性能。當組裝為半電池時，在電流密度為1, 2, 3, 4, 5, 10 and 20 A g?1時，其容量可以分別達到1135, 930, 725, 554, 417, 222, 137 mAh g?1。此外，二微流體通道也有效的緩解了材料在充放電過程中所發生的的體積膨脹，提高了材料的循環穩定性。在電流密度5 A g?1的條件下循環充放電1500圈，其可逆容量仍然可達375mAh g?1。將具有二維納米流體結構的負極材料與商用的鈷酸鋰組裝成全電池，在高電流密度下循環450圈後，其可逆容量可達到591mAh g?1。該研究工作為有效提高電極材料倍率性能指明新方向，同時為構建高功率、高穩定性的鋰離子電池提供了新的探索思路。這一成果近期發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2017, 29, 1703909）並被選為Front Cover。

創新點如下：

1. 首次利用具有表面基團修飾的氫氧化物前驅體（本徵為層狀結構），並在層間以PVP作為支撐物，後經高溫煅燒，原位拓撲轉成帶有二維流體結構的氧化鈷材料（本徵為非層狀結構）。

2. 該二微流體結構可以為鋰離子的傳輸提供二維流體通道。通道內壁的負電基團會選擇性吸引鋰離子，排斥負電離子，加速鋰離子的傳輸，實現較高的倍率性能。同時超薄的納米片減少了鋰離子的擴散路徑，同樣有利於倍率性能的提高。最後，在充放電過程中，流體通道提供了緩解體積膨脹的緩衝空間，提高了材料的循環穩定性。

圖1.SUCNs-SF的形態和結構表徵。(a)TEM照片和(b, c, e)HRTEM照片，(f)為(e)的IFFT照片，(d)SUCNs-SF和塊體Co3O4的拉曼光譜。

圖2. SUCNs-SF和塊體Co3O4的(a, b)小角X射線散射，(c)紅外光譜，(d，e)原子力顯微鏡照片，(f, g, h) XPS元素分析。

圖3. SUCNs-SF的電化學特性。(a)在0.5 mV下前四圈的CV曲線，(b)在1 A g-1電流密度下的充放電曲線，(c)在1 A g-1電流密度下的循環性能和(d)不同電流密度下的倍率性能。

圖4. SUCNs-SF的電化學特性。(a)半電池中，在5 A g-1電流密度下的循環性能，(b)半電池中，在不同電流密度下的倍率性能，(c)全電池中，在1 A g-1電流密度下的循環性能和(d)與文獻中性能的比較。

材料製備過程：

具有二微流體結構的Co3O4納米片：首先，將1 mmol的硝酸鈷加入到26 ml乙醇中，待硝酸鈷溶解後，在向其加入2 g PVP，攪拌至形成溶膠後，在80℃的條件下烘乾成干凝膠。進一步地，把干凝膠以2℃每分鐘的升溫速率加熱到500℃，並保溫2 h.

致謝：

陳剛教授課題組簡介

陳剛教授帶領的能量轉換材料團隊專註於光催化分解水、電化學儲能等新型功能材料的研究。近5年在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》等期刊上發表SCI收錄論文120餘篇，其中ESI高被引論文6篇。團隊十分重視人才培養，其中本科生1人獲中國青少年科技創新獎，碩士生2人獲黑龍江省優秀碩士論文，博士生1人獲全國百篇優秀博士學位論文提名獎，課題組研究生團隊獲哈工大「十佳研究生團隊」稱號。

參考文獻：

C.Yan, C.Lv, Y. Zhu, G. Chen, J. Sun, G. Yu, 「Engineering Two-dimensionalNanofluidic Li-Ion Transport Channels forSuperior Electrochemical Energy Storage」, Adv. Mater. 2017, 29, 1703909.

聲明：

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