加拿大滑鐵盧大學陳忠偉團隊 ACS Nano: 設計調控過渡金屬氧化物空心微米球的殼層數以實現最佳儲鋰能力

【研究背景】

過渡金屬氧化物因其具有較高的理論比容量、低成本等優勢被視為理想的高性能鋰離子電池負極材料。然而電極材料在充放電過程中存在較大的體積變化致使材料粉化剝落而降低其電化學性能。空心微球材料因其具有中空結構，比表面積大等優勢，能顯著緩解體積效應并縮短鋰離子擴散路徑，從而提高電極材料的循環性能及倍率性能。然而空心球因材料的振實密度低，體積能量密度低等原因限制了其商業化的應用。為此，設計具有層數可調的多層空心微球來優化電極材料，通過調節層數來改善材料以獲得最佳的電化學性能具有重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉教授報道了一種合成金屬氧化物微球且具有層數可調，組分可控特點的重要方法。文章以羅丹為第一作者身份在國際知名期刊?ACS Nano上全文發表了題為?“Tuning Shell Numbers of Transition Metal Oxide Hollow Microspheres towards Durable and Superior Lithium Storage”的研究論文。研究人員首次研發出四層鎳鈷錳金屬氧化物微球材料并系統的表征了四層空心微球的形貌，結構與性能，同時制備出高容量鋰離子電池負極。研究人員首次使用高腳圓環暗場像模式的透射電鏡（HAADF-STEM）從不同角度對四層空心微球觀察和表征，并利用三維重構軟件重現出四層空心微球的三維形貌（如視頻所示）與不同程度的微球的橫截面形貌（如圖二所示），對研究中空材料的內部結構具有非常重要的意義。所合成的四層空心微球具有較高的比表面積，利于鋰離子的擴散。同時多層空心結構在充放電過程中可以緩解機械應力，維持材料結構穩定性，從而顯著提高了復合材料電極的循環壽命及倍率性能。在0.2 A g^-1?的電流密度下循環充放電250次后復合材料電極仍具有1097 mAh g^-1 的容量。

【圖文導讀】

圖1 多層金屬氧化物的合成機理圖

圖2?四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖3四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的三維重構效果圖

圖4四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的結構表征

圖5?不同金屬組分的四層過渡金屬氧化物空心微球的形貌結構與表征

圖6 不同層數的鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖7 四層鎳鈷錳金屬氧化物空心微球的電化學性能表征

【小結】

該工作的創新之處在于首次報道了一種簡便且通用的方法來合成過渡金屬氧化物并且設計組分可調，層數可控的空心微球。其中四層空心微球提高了材料的結構穩定性，縮短了離子擴散路徑，從而顯著提升了鋰離子電池電極材料的循環性能與倍率性能。這項工作拓寬了設計過渡金屬氧化物等材料的研究思路并可通過定向合成特定層數的中空多層材料以實現與優化材料所需的性能。

文章鏈接：Tuning Shell Numbers of Transition Metal Oxide Hollow Microspheres towards Durable and Superior Lithium Storage（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b06296）

附帶視頻：

本文由陳忠偉老師課題組提供。

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