中國礦業大學隋艷偉/肖彬&中南大學鄭俊超Nano Energy:高熵氧化物用于長壽命鋰離子電池負極材料

一、【導讀】

高熵材料（HEMs）因其在眾多不同應用中表現出的優異性能引起了許多研究人員的興趣。其中，高熵氧化物（HEOs）具有較高的Li離子傳導率（10^-3 S cm^-1）和高理論比容量（> 1000 mAh g^-1），高熵特性也有利于提高電極材料的循環穩定性。基于這些優點，HEO有望成為優秀的儲Li電極材料。具有尖晶石結構的(FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO中具有三價位點，可以拓寬充放電過程中的價態范圍，從而提高電極材料的比容量，但目前較差的循環性能阻礙了其進一步發展。這可能是因為納米粒子具有大的比表面積和高的表面活性，導致許多副反應的產生，而鋰離子的快速脫嵌極易造成粒子結構的破壞和電化學性能的急劇下降。

二、【成果掠影】

近日，中國礦業大學隋艷偉教授/肖彬博士和中南大學鄭俊超教授課題組通過以尺寸為50 μm的FeCoNiCrMn高熵合金粉末為原料進行氧化，制備了由微米顆粒組成的(FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO，并將其用作于鋰離子電池新型負極材料。與球磨制備的(FeCoNiCrMn)₃O₄相比，其具有良好的循環穩定性。所制備的(FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO在2.0 A g^-1下循環1200次后具有596.5 mAh g^-1的高可逆容量和86.2%的良好容量保持率。該研究成果以“High-entropy oxides as advanced anode materials for long-life lithium-ion Batteries”為題發表在知名期刊Nano Energy上。

三、【核心創新點】

首次通過對高熵合金（FeCoNiCrMn）進行氧化成功制備了具有獨特的晶體結構和窄帶隙的高熵氧化物（(FeCoNiCrMn)₃O₄），以該材料作為負極的鋰離子電池在2.0 A g^-1條件下具有1200循環的超長循環壽命。

四、【數據概覽】

圖1? (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的合成過程示意圖? ? 2022 Elsevier Ltd.

圖2? (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的(a) XRD，(b) FESEM，(g) EDS面分布圖，(c) TEM，(d) HRTEM，(e,f) SAED圖。? ? 2022 Elsevier Ltd.

圖3? (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的XPS光譜：(a) Fe 2p，(b) Co 2p，(c) Ni 2p，(d) Cr 2p, (e) Mn 2p，(f) O 1s。? ? 2022 Elsevier Ltd.

圖4? (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的電化學性能：(a) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO從0.1到3.0 A g^-1的首次循環充放電曲線；(b,c) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO和(FeCoNiCrMn)₃O₄ BM的倍率和循環性能；(d) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO與其他材料((FeCoNiCrMn)₃O₄, (CoCuMgNiZn)O, (MgCoNiZn)_1-xLi_xO, (MgTiZnCuFe)₃O₄)的倍率性能對比；(e) 2 A g^-1下的循環性能；(f) 0.1 A g^-1電流密度下前三循環的充放電曲線；(g) 0.1 mV s^-1下從0.01到3.00 V的CV曲線；(h) Z’與ω^-0.5的關系曲線；(i) 不同循環次數后的奈奎斯特圖；(j) 奈奎斯特圖的局部放大；(k) 對應的等效電路圖。? ? 2022 Elsevier Ltd.

圖5? (a) 從0.5到2.0 mV s^-1的CV曲線；(b) 1.0 mV s^-1下電容電流和擴散電流的區分；(c) 峰電流與掃速的關系；(d) 電容和擴散控制電荷的貢獻比例；(e) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO首次循環的原位XRD譜圖。? ? 2022 Elsevier Ltd.

圖6? (a,b) HEOs材料的晶體結構；(c) Co₃O₄和(d) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的靜電荷分布；利用密度泛函理論計算的(e) Co₃O₄和(f) (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO中過渡金屬原子的電子能帶結構和投影態密度。結構通過VESTA顯示。? ? 2022 Elsevier Ltd.

?五、【成果啟示】

該研究為HEOs的制備提供了新的思路，通過DFT計算探索了(FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的晶體結構和能帶隙，進一步探索了儲鋰機理，為下一代鋰離子電池負極材料的開發提供了一條新途徑。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106962

本文由MYu供稿。