樓雄文：分級複合納米材料提高鋰電池性能
納微快報
Nano-Micro Letters
本文亮點
1開發了一種金屬有機框架（MOF）模板輔助合成方法，在Co3O4腔體內嵌入Fe2O3納米管得到分級複合材料。
2這種分級複合材料顯示出優異的鋰電負極電化學性能。
內容簡介
鋰離子電池具有高能量密度、高穩定性、長循環壽命等優點，在攜帶型電子設備和電動汽車中極具發展前景。傳統的石墨碳電極由於理論容量受限（372 mAh/g），使得商業鋰離子電池的性能遇到了發展瓶頸。
過渡金屬氧化物由於其低電動勢值、高理論容量、豐富的儲量和環保特性，成為新一代高容量電極材料。與此同時，限制其發展的一些問題也亟待解決：（1）金屬氧化物電子傳導性較差，不利於鋰離子嵌入/脫出；（2）充放電循環過程中劇烈的體積變化會導致金屬氧化物的粉碎和循環衰減。
因此，需要合理設計納米複合結構來改善電化學性能。基於金屬氧化物的超細納米結構工程，可增加電極-電解質界面的接觸，縮短Li+的傳輸距離，釋放脫嵌過程中的結構應力，受到大家的廣泛關注。
南洋理工大學樓雄文（Xiong Wen David Lou）等人用MOF輔助合成方法，在Co3O4顆粒上嵌入Fe2O3納米管，製備出了分級複合納米結構。以MOF複合物（鐵基MIL-88B包裹在Co基ZIF-67顆粒內）為前驅體，經過簡單退火處理即得到Fe2O3納米管@Co3O4複合物。
這種分級複合材料的結構和成分特徵有利於提高儲鋰性能：0.5 A/g下初始充放電容量分別為709.89和921.9 mAh/g；循環80周後放電容量保持在951 mAh/g。該研究為可控合成複雜空心納米結構並應用於儲能領域提供思路。
圖文導讀
1MIL-88B納米棒@ZIF-67前驅體的納米結構
基於溶液的混合方法促使MIL-88B納米棒在單個ZIF-67多面體顆粒表面的自組裝。
利用PVP對預先合成好的MIL-88B納米棒進行表面修飾，將MIL-88B納米棒與含有Co2+金屬離子和有機配體的溶液混合，原位生成MIL-88B納米棒@ZIF-67複合物，MIL-88B納米棒均勻嵌入在單個ZIF-67顆粒上。
2Fe2O3納米管@ Co3O4複合材料的納米結構
以MIL-88B@ZIF-67為前驅體，通過在空氣中熱處理熱解、氧化獲得Fe2O3納米棒@Co3O4複合材料顆粒。該分級複合納米結構保持了前驅體的形貌和結構。
3Fe2O3納米管@ Co3O4複合材料的電化學性能
Fe2O3納米管@Co3O4分級複合材料顯示出優異的鋰電池負極儲鋰性能：0.5 A/g下初始充放電容量分別為709.89和9 21.9 mAh/g，初始庫侖效率為77%；循環80周後放電容量保持在951 mAh/g。
這主要得益於：1）複合結構中兩種不同氧化物的氧化還原化學勢不同，有利於電化學反應以及高能量密度；2）分級腔體結構有利於電極/電解液的充分接觸以及容納嵌Li+/脫Li+過程中帶來的應變和體積變化。
作者簡介
主要研究方向：
中空納米結構材料的設計合成與應用研究：如 ① 鋰離子電池；② 超級電容器；③ 電催化等。
主頁：
http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/
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