北大Adv. Mater. : 硼氮共摻雜石墨納米管封裝中空過渡金屬氧化物(TMO)納米顆粒(NPs)作為高性能鋰離子電池負極

【引言】

過渡金屬氧化物納米顆粒(TMO-NPs)由于其理論容量高，是用于鋰離子電池的電極材料之一，但其具有導電性差、穩定性低、充電/放電過程中體積變化較大以及與電解液形成厚的固態電解質界面(SEI)等缺點，使得其實際容量較低，容量衰減迅速，限制了其商業化。研究人員一直致力于通過形態控制和碳涂覆來優化TMO-NPs的性能。以蛋黃-蛋殼納米結構作為負極材料，能夠解決體積變化大、電導率低、鋰離子傳輸/擴散路徑短帶來的問題。

【成果簡介】

近日，北京大學郭少軍教授、鄒如強研究員(共同通訊作者)等報道了一種通過結合熱解和氧化的方法將中空過渡金屬氧化物(TMO)納米顆粒(NPs)封裝到硼氮共摻雜石墨納米管(TMO@BNG(TMO = CoO、Ni₂O₃和Mn₃O₄)的通用策略，并在Adv. Mater.上發表了題為“A Universal Strategy for Hollow Metal Oxide Nanoparticles Encapsulated into B/N Co-Doped Graphitic Nanotubes as High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes”的研究論文。上述TMO@BNG具有TMO依賴的儲鋰性能，CoO@BNG納米管具有很高的儲鋰容量(96 mA·g^-1電流密度下1554 mAh·g^-1)，良好的倍率性能(1.75 A·g^-1下410 mAh·g^-1)和高穩定性(480周期后保留幾乎96%存儲容量)。該工作突出了將薄壁中空TMO NPs引入具有大表面積的BNG對于增強LIBs的存儲容量、倍率性能以及循環穩定性的重要性。

【圖文簡介】
圖1 MO@BNG納米管制備過程

MO@BNG (MO = CoO、Ni₂O₃和 Mn₃O₄)納米管制備過程示意圖

圖2 CoO@BNG納米管的形貌和結構表征

a,b) CoO@BNG納米管的FESEM圖像；

c) CoO@BNG納米管的STEM元素分布；

d) CoO@BNG納米管的TEM圖像；

e) CoO@BNG納米管的HRTEM圖像以及中空CoO納米顆粒的FFT圖像。

圖3 其他MO@BNG納米管的形貌和結構表征

a,b) Ni₂O₃@BNG 納米管的FESEM和TEM圖像；

c,d) Mn₃O₄@BNG納米管的FESEM和TEM圖像。

圖4 MO@BNG納米管的晶體結構和氮氣吸附表征

a) MO@BNG納米管的XRD譜圖；

b) MO@BNG納米管的Raman光譜；

c) CoO@BNG納米管的Co 2p XPS譜圖；

d) CoO@BNG的氮氣吸脫附曲線。

圖5 MO@BNG納米管的電化學性能

a) CoO@BNG納米管的CV曲線；

b) CoO@BNG納米管的充放電曲線；

c) MO@BNG納米管儲存性能比較；

d) 不同電流密度下，CoO@BNG納米管的儲存容量；

e) 1.75 A·g^-1下，CoO@BNG納米管的長期循環穩定性。

圖6 MO@BNG納米管的穩定性

a) 0.1 A·g^-1下80次循環后CoO@BNG納米管的TEM圖像；

b) MO@BNG 納米管的EIS譜線。

【小結】

總而言之，研究人員通過結合熱解過程和納米柯肯道爾效應簡單的合成了TMO-BNG納米結構。TMOs孔隙空間的設計能夠解決鋰化過程中體積膨脹問題。所合成的CoO@BNG納米管具有高達1451 mAh·g-1的可逆放電容量，高于Mn3O4@BNG以及Ni2O3@BNG納米管。在高電流密度(1.75 A·g^-1)下，其循環穩定性良好(480次循環后容量保留96%)。上述工作為設計用于具有高儲能能力和穩定性的先進LIBs的穩定碳-中空過渡金屬氧化物復合材料開辟了一條有效的途徑。

文獻鏈接： A Universal Strategy for Hollow Metal Oxide Nanoparticles Encapsulated into B/N Co-Doped Graphitic Nanotubes as High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705441)

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