深圳大學劉劍洪&張黔玲JMCA：富含氧空位CoOOH納米片鋰離子電池負極的構建

研究背景：

鋰離子電池作為便攜式電子設備、電動汽車及電網儲能等應用中最重要的組成部分而越來越重要，對其性能要求也越來越高。因此，對下一代高能量密度、高功率密度鋰離子電池的開發及應用成為了研究熱點。然而，商業化石墨負極材料理論比容量較低、倍率性能差等缺陷阻礙了其在高能量密度鋰離子電池中的進一步發展。

目前，過渡金屬氧化物負極材料由于具有較高的理論容量而受到廣泛研究，但其電子電導率差和首次庫倫效率低限制了其在高性能鋰離子電池中的應用。氫基氧鈷(CoOOH)由于具有優異的電導率(5 S cm^?1)近年來在催化及儲能領域引起了科研工作者們的廣泛關注。作為鋰離子電池負極材料時，CoOOH表現出與Co₃O₄相似的轉化反應機制，但CoOOH的理論比容量(1457 mAh g^?1)遠高于Co₃O₄ (890 mAh g^?1)。由于其較高的電導率，CoOOH負極材料比Co₃O₄具有更好的倍率性能。此外，CoOOH的理論比容量約為石墨的4倍，密度約為石墨的2倍，從而，CoOOH負極材料的單位體積能量密度約為石墨的8倍。因此，CoOOH是一種很有前景的高能量密度鋰離子電池負極材料。

成果簡介：

近日，深圳大學劉劍洪、張黔玲課題組報道了一種采用水熱法制備得到的性能優異的納米片層狀CoOOH負極材料。該CoOOH的納米多孔層狀結構和高電導率使其具有較高的初始放電容量(1478 mAh g^?1)、首次庫倫效率（90%）和優異的循環性能(300次充放電循環后為1588 mAh g^?1)。實驗結果和理論計算表明，CoOOH負極材料中的羥基官能團和豐富的氧空位有利于促進其與鋰離子在轉換反應過程中快速且完全地進行。本研究為過渡金屬氫基氧化物鋰離子電池負極材料的結構與性能之間的關系提供了新的認識。

該工作以“ Construction of cobalt oxyhydroxide nanosheets with rich oxygen vacancies as high-performance lithium-ion batteries anodes ” 為題發表在期刊 J. Mater. Chem. A 上，共同第一作者為深圳大學化學與環境工程學院碩士研究生扶勇歡和博士后黎烈武。

圖文導讀：

圖1. CoOOH納米片的制備流程圖及水熱氧化合成CoOOH納米片的機理示意圖。

圖2.(a) CoOOH納米片的SEM圖像； (b) CoOOH 納米片的高倍率圖像； (c) CoOOH納米片的TEM圖像； (d) CoOOH納米片的高分辨率TEM圖像。

圖3.(a) CoOOH納米片的XRD譜圖；(b) CoOOH, Co (OH)₂和Co₃O₄的拉曼光譜圖；(c) Co 2p和(d) O 1s的高分辨率XPS譜圖；(e) CoOOH納米片的EPR譜圖；(f) CoOOH納米片的氮氣吸附-解吸等溫線曲線和BJH孔徑分布(插圖)。

圖4.(a) CoOOH電極在0.1 mV s^-1時的CV曲線；(b) CoOOH電極在0.2 A g^-1的第1，第2，第50和第100圈的電壓容量曲線；(c) CoOOH，Co₃O₄和Co(OH)₂電極在0.2 A g^-1至5 A g^-1之間的速率性能對比譜圖；(d) CoOOH，Co₃O₄和Co（OH）₂電極在0.2 A g^-1下的循環性能圖；(e) CoOOH電極在0.2 A g^-1下的長期循環性能和相應的庫侖效率圖。

圖5. CoOOH電極與Li⁺/Li的電化學行為的動力學分析。(a) 在0.1至1.5 mV s^-1范圍內的各種掃描速率下的CV曲線；(b) 根據(a)中的循環伏安圖，利用峰值電流與掃描速率之間的關系確定b值；(c)以0.5 mV s^-1的掃描速率贗電容效應的面積占比圖；(d) 各種掃描速率下贗電容控制和擴散控制效應的貢獻率。

總結：

本文采用簡單的水熱法成功制備了CoOOH納米片。用作鋰離子電池負極材料時，與Co(OH)₂和Co₃O₄負極相比較，CoOOH負極表現出更高的比容量、優異的循環穩定性和倍率性能。實驗結果和理論計算表明，CoOOH負極材料中的羥基官能團和豐富的氧空位有利于促進其與鋰離子在轉換反應過程中快速且完全地進行。這項研究為過渡金屬羥基氧化物鋰離子電池負極材料提供了新的設計思路。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta10389f#!divAbstract

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