Adv. Energy Mater. 用于鋰電池的一種納米粒子包覆碳纖維的超穩定陰極材料

【引言】

目前對于高能量密度儲存的鋰離子電池的需求日益增加，如電動汽車和電網上的負載均衡設備均要求高的能量密度和更好的耐用性。在鋰離子電池的技術中，新電極材料的發展已經成為未來鋰離子電池的至關重要的一步。各種各樣的正極材料在近些年來已經被研究并取得很大的進步。但是高比容量的陰極材料卻落后于陽極材料的發展，它已成為鋰離子電池能量密度儲存應用的一個瓶頸，因而鋰離子電池最為重要的挑戰是提高負極材料高倍率下的循環穩定性。

【成果簡介】

近日，東華大學胡俊青教授課題組和香港城市大學李振聲教授、張文軍教授人發現了一種新型的復合結構材料即嵌在三維網狀多孔炭陣列的V₂O₅納米粒子包覆碳纖維的陰極材料，有效的解決了納米結構的V₂O₅負極材料由于結構劣化、固態電解質層不穩定以及電子導電性差導致的容量低、衰減快、循環穩定性差等問題。

【圖文導讀】

圖1.樣品的形貌和結構

(a) CFs包覆碳前驅體層的SEM圖；

(b-d) 3D網狀碳陣列包覆的 CFs材料在不同放大倍數下的SEM圖，(d)中的內部插圖為3D網狀多孔碳陣列的示意圖；

(e)?V₂O₅/3DC-CF復合物的SEM圖，內部插圖為V₂O₅/3DC復合物結構示意圖；

(f)V₂O₅/3DC-CF復合物的XRD圖譜(上部分)和JCPDS卡片(V₂O₅,NO.41-1426)(下部分)；

(g)V₂O₅/3DC復合物的TEM圖；

(h)V₂O₅納米粒子的HRTEM圖，內部插圖為相應的FFT模式。

圖2.樣品的電化學性能

?(a)V₂O₅/3DC-CF復合物在掃描速率為0.1 mV/s時電壓范圍在2.0-4.0V掃描范圍內的CV曲線；

(b)V₂O₅/3DC-CF化合物在0.1C的恒電流密度和2.0-4.0V的電壓范圍的充放電曲線；

(c)3D網狀的V₂O₅/3DC-CF電極在不同的電流密度下的倍率性能；

(d)V₂O₅/3DC-CF復合物在1C下的循環性能和相應的庫侖效率；

(e)V₂O₅/3DC-CF復合物、V₂O₅納米粒子、V₂O₅納米片陣列電極在10C下的循環性能，內部插圖是V₂O₅納米粒子的SEM圖(左圖)，右圖是V2O5納米片陣列電極的SEM圖；

(f)負載不同含量的V₂O₅納米粒子的V₂O₅/3DC-CF化合物電極在10C下的循環性能，內部插圖左圖是負載量為0.52 mg cm^-2的復合材料電極的SEM圖，中間圖是負載量為2.48 mg cm^-2 的復合材料電極的SEM圖，右圖是負載量為3.17 mg cm^-2 的復合材料電極的SEM圖。

圖3.樣品的TEM圖

(a)對于Li+嵌入脫出過程的原位TEM觀察的示意圖；

(b)鋰離子嵌入前的V₂O₅/3DC復合物的TEM圖，紅色和藍色圈分別顯示的是在3DC陣列的內部和邊緣的V₂O₅納米粒子；

(c-e)在陣列邊緣的V₂O₅納米粒子分別在鋰離子嵌入時間為1,5和20min時的形貌變化過程；

(f-h)在陣列內部的V₂O₅納米粒子分別在鋰離子嵌入時間為1,5和20min時的形貌變化過程；

(i)V₂O₅/3DC復合物在鋰離子脫出后第一圈的TEM圖；

(j)V₂O₅/3DC復合物在鋰離子脫出后第十圈的TEM圖。

圖4.樣品的阻抗

(a)V₂O₅/3DC-CF復合物電極在5mV頻率范圍為100KHz-0.01Hz范圍內的Nyquist點;

(b)V₂O₅/3DC-CF復合物電極的等效電路模型，Rs為電解液電阻，CPE1和Rf分別是電極表面鈍化層的電容和電阻，Zw是和鋰離子擴散進入電極相關的Warburg阻抗；

(c)V₂O₅/3DC-CF復合物在電化學循環之前的示意圖；

(d)SEI層形成的原理圖，以及電子和鋰離子在V₂O₅/3DC-CF復合物的轉移原理圖。

【展望】

V₂O₅/3DC-CF復合物成功的合成用作鋰離子電池負極材料，該復合材料的特殊組成和結構設計使V₂O₅納米粒子有效的負載其上，這提高了電子和粒子的傳輸效率，另一方面，3DC-CFs由于沒有粘結劑和導電材料的添加而可以直接作為集流器使用。V₂O₅/3DC-CF復合物優異的電化學性能使其有望成為高性能鋰離子電池負極材料的替代品。

胡俊青教授簡介

胡俊青，男，博士生導師，曙光學者，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.， Chem. Commun.，Appl. Phys. Lett.等國際著名刊物特約審稿人和仲裁審稿人;美國材料學會、美國電鏡學會、美國電化學學會、日本電鏡學會會員。研究方向包括納米材料的合成、性能與器件，納米材料的原位操作與線物理性能以及透射電子顯微學等。2008年教育部"新世紀優秀人才支持計劃"; 2008年上海市"曙光學者"; 2009年上海市"浦江人才計劃"; 2004年日本國家材料科學研究所，國際青年科學家中心(ICYS)，Independent Research Fellow; 2002年日本科學振興學會(JSPS)博士后獎學金。申請日本專利21項，其中11項專利已經授權。與日本國家材料科學研究所、悉尼大學、新加坡國立大學、香港城市大學、香港中文大學、臺灣清華大學、麻省理工學院等國際著名研究機構進行廣泛的學術交流和合作。先后參加國際學術會議20余次，其中大會特邀報告6次。

原文鏈接：Nanoparticles Encapsulated in Porous Carbon Matrix Coated on Carbon Fibers: An Ultrastable Cathode for Li-Ion Batteries?(Adv. Energy Mater.，2016，DOI:10.1002/aenm.201601363)

本文由材料人編輯部新能源學術組YenHo供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。