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同力协契、多元协同共掺杂提升锂离子电池负极材料的综合使役性能
2017-05-19 10:25  

伴随高能耗电子设备及电动汽车产业的迅猛发展,高能量、高功率、长续航锂离子电池的开发已成为当前能源研究领域最具活力与挑战性的热点领域之一。电极材料是决定锂离子电池性能的核心关键材料,基于石墨类负极材料与嵌锂金属氧化物正极材料的商业化锂离子电池之能量密度仅能达到100-120 Wh kg-1左右,性能差强人意。因此,迫切需要发展能量密度数高、综合使役性能优异的新结构高性能锂离子电池电极材料。

金属氧化物储锂容量高、来源丰富,有望替代传统的石墨类负极材料,但其导电性较差且有明显的嵌锂体积膨胀效应(~100-200%),导致电池的性能衰减,这极大限制了此类材料的实际应用。将金属氧化物纳米结构与具有优良导电性的纳米碳材料有机融合,是改善金属氧化物导电性和结构稳定性、稳定电化学反应界面的有效途径之一。但高比例低密度碳材料的引入也同时造成电池能量密度的降低。

金属有机骨架化合物(MOF)是由有机配体与过渡金属离子组装而成的一类新型配位聚合物材料,其独特的化学组成与结构使之成为构筑碳/金属氧化物复合纳米电极材料的理想组成与结构前驱体。目前广泛用以制备纳米结构的MOF主要包括不同类型的ZIFHKUSTMIL、普鲁士蓝类配合物等,获得的材料化学组成较为单一,难以实现电化学性能的协同提高。针对这一难题,邱介山教授领衔的大连理工大学“能源材料化工”学术团队基于多金属中心的MOF前驱体,建立了一种多元掺杂碳/金属氧化物复合纳米电极材料的可控构筑新策略,提出基于多元协同共掺杂显著改善碳/金属氧化物负极材料储锂性能的新思路。以内含WMoCuP等元素的NENU-5为纳米结构模板与化学前驱体,基于有机配体的纳米限域碳化与金属中心离子的同步原位化学转化过程,在具有优异导电性的纳米碳框架内共掺杂结构活性金属氧化物固溶体、导电金属纳米颗粒及非金属杂原子,利用活性金属氧化物获得高储锂容量,金属氧化物固溶体结构改善锂离子传输动力学,导电金属颗粒镶嵌的三维纳米碳框架增强材料整体导电性与结构稳定性,非金属杂原子引入结构缺陷活性位,高比例重金属原子提高体系密度,这些因素的协同作用,实现了碳/金属氧化物纳米电极材料质量比容量、体积比容量、倍率性能与循环寿命的大幅度综合提升。磷掺杂碳包覆MoxW1-xO2/Cu纳米复合电极材料表现出优异的电化学性能,在2-5 A g-1高倍率条件下稳定循环2000次后容量损失率仅为0.043%每次,体积比容量可达1930-2390 mAh cm-3,是石墨类负极材料的2-3倍,可与SiSn基负极材料媲美。

此项研究为新结构高性能MOF基电极材料的创制提供了新的思路,有可能用于光电化学催化、超级电容器、太阳能电池等其他领域。相关工作在线发表于Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201605332) ,第一作者为大连理工大学博士生钮姗姗,通讯作者王治宇、邱介山。

上述研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部青年千人计划、霍英东教育基金会、四川大学高分子材料工程国家重点实验室的资助支持。

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