杭州電子科技大學秦海英/胡小詩團隊ACS AMI：毫秒級！分流電熱沖擊（SETS）技術實現原位超快速制備高能鋰電池負極

第一作者：吳炎/祁琦

通訊作者：胡小詩

通訊單位：杭州電子科技大學

01 科學背景

目前，鋰離子電池負極材料面臨的主要問題包括合成成本高昂、合成過程復雜且耗時較長，這些都是可能導致新材料商業化應用受限的因素。這些問題的存在需要尋求更有效的合成方法和工藝優化，以推動電池技術的進步和提高其商業競爭力。同時，電極材料的結構改性設計對于鋰離子電池的性能提升和技術進步也具有重要意義。

02 科學貢獻

近期，杭州電子科技大學秦海英和胡小詩團隊開發了一種超快高溫熱解方法，用于原位合成新型高性能金屬氧化物基電極，具體通過銅基底和擔載的前驅體-super P涂層的電阻差產生的分流效應，在涂層中Super P炭黑的焦耳熱沖擊作用下，實現了ZIF-67前驅體的原位閃蒸電熱熱解，可控制備了由超小(10~15 nm)亞晶CoO/Co@N-C納米顆粒組成的多孔空心立方復合結構負極。采用電路理論的原理解釋了焦耳熱沖擊過程背后的機制，并將該方法定義為“分流電熱沖擊”（Shunt-electrothermal Shock，SETS）技術。SETS每個加熱周期約為0.2 ~ 0.3秒，高溫持續時間約為0.02秒，升溫速度驚人，達到6.9×10 ⁴ K/s。這種創新的方法在合成具有定制性能的先進材料方面具有巨大的潛力。它以較少的功率輸入，完美地克服了傳統高溫煅燒方法熱解時間長、能耗高的缺點，并且超快加熱和冷卻過程使得生成的CoO/Co@N-C電極材料具有超小顆粒粒徑和較低結晶度等優勢電化學結構特征，同時還完整保存了前驅體的結構形態。電化學測試結果表明，CoO/Co@N-C具有優異的電化學性能，在200 mA g^-1條件下，循環150次后的可逆容量高達1503.7 mA h g^-1，即使是在6 A/g的電流密度下，循環400次后的可逆容量仍可達434.1 mA h g^-1。研究發現，CoO/Co@N-C優異的儲鋰性能歸功于以下幾個方面： CoO/Co@N-C超小顆粒，縮短了鋰離子擴散路徑；低結晶的結構擁有豐富的缺陷和活性位點，促進鋰離子傳輸和電化學反應；中空納米結構緩解了體積效應；N-C包覆結構可以提高材料導電性，并抑制氧化鈷活性顆粒聚集和體積膨脹；而單質鈷的存在，進一步提高導電，并可引起自旋極化的表面贗電容，提供額外容量。

圖1 分流電熱沖擊技術(SETS)合成過程及原理

圖2 分流電熱沖擊技術的溫度曲線及相應樣品的表征

圖3 CoO/Co@N-C復合材料的結構與特性表征

圖4 CoO/Co@N-C的電化學性能

03創新技術

SETS技術是一種新型的用于制備納米材料的方法，通過將金屬鹽/金屬氫氧化物/金屬有機框架（MOF）等金屬化合物前驅體與碳材料混合或者復合后，擔覆在金屬基底（銅箔、鋁箔、不銹鋼箔等）上，當在金屬基底兩端輸入電流時，金屬基底上方的前驅體復合材料因自身存在電阻而產生焦耳熱，對前驅體產生熱沖擊，從而原位得到活性電極。

04 科學啟迪

本文報道的原位分流電熱沖擊方法將活性材料的合成和電極片的制作集成到一個過程中，從而簡化了電池制造的工藝過程，并獲得了具有獨特結構和優異性能的電極材料。由于該方法的簡單性和可擴展性，可以設想將其應用于高性能金屬氧化物基材料的合成，并在納米制造過程中實現大規模生產。

原文詳情：

Yan Wu,?Qi Qi,?Tianlang Peng,?Junjie Yu,?Xinyu Ma,?Yizhuo Sun,?Yanling Wang,?Xiaoshi Hu*,?Yongjun Yuan,?Haiying Qin, In Situ Flash Synthesis of Ultra-High-Performance Metal Oxide Anode through Shunting Current-Based Electrothermal Shock, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 13, 16152–16163.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c19174.