钴酸锌微/钠米球基体中引入Co-B纳米片提高电化学储能

过渡金属氧化物是一种高容量低成本的锂离子电池负极材料。尽管关于金属氧化物电极的基础研究已经开展了二十余年，其实用化进程受限于电极的动力学和稳定性缺陷而推进缓慢。近日，清华大学的李宝华教授（点击查看介绍）课题组与悉尼科技大学的汪国秀教授（点击查看介绍）课题组合作，通过一步溶液反应法在钴酸锌微/钠米球基体中引入Co-B纳米片，克服了上述问题，获得接近实用化水平的电化学性能。

当今社会对储能的需求越来越高。作为当前使用最为广泛的电化学储能系统，锂离子电池始终追求高电量、快充电、长寿命的储能目标。传统的石墨负极已经不能满足日益增长的储能需求。新型的高容量锂电负极材料，如金属氧化物受到研究者越来越多的关注。其中，钴酸锌（ZnCo₂O₄）电极因具有较高的比容量、电化学活性强以及储量高等优势被普遍认为是一种很有潜力的新一代锂离子电池负极材料。但其充放电过程中体积膨胀、电子导电性差、锂离子导电性差限制了其实际应用。

清华大学的李宝华教授团队和悉尼科技大学的汪国秀教授团队合作，将Co-B纳米片引入到ZnCo₂O₄微/纳米球中，可以起到多功能‘桥接’的作用。首先，Co-B纳米片在制备过程中会与ZnCo₂O₄形成原位键合，桥接不同的ZnCo₂O₄纳米颗粒。这样，柔性的Co-B纳米片就可以在充放电过程中抑制ZnCo₂O₄的体积膨胀。断面的SEM测试发现多次循环后电极厚度仅增大6%。其次，Co-B纳米片具有良好的导电性，从而充当不同ZnCo₂O₄纳米颗粒之间的导电通路。最后，该研究通过动力学分析结合理论计算发现，Co-B纳米片的引入能够降低锂离子在ZnCo₂O₄中的扩散势垒，从而提高锂离子的导电率。

基于以上的优点，作者制备了接近实用化条件的高密度（1.46 g•cm^-3）、高面积负载量(5.0 mg•cm^-2)电极。该电极在0.5 mA•cm^-2电流密度下表现出高放电容量（995 mAh•g^-1/1450 mAh•cm^-3/5.10 mAh•cm^-2）、良好的高倍率性能（在2.5 mA•cm^-2电流密度下保持913 mAh•g^-1/1330 mAh•cm^-3/4.68 mAh•cm^-2）以及长循环寿命（高电流密度下循环200圈保持90.9%的容量）。该电极同时具有高质量/体积/面积比容量，并且表现出优异的倍率性能和循环稳定性。因此，该研究对于推进过渡金属氧化物的实际应用具有重要的意义，多功能添加剂的设计对其他金属化合物的储能研究也具有很好的借鉴作用。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的共同第一作者为清华大学深圳研究生院的博士生邓娇娇和日本国立材料研究所的於晓亮博士。

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Co–B Nanoflakes as Multifunctional Bridges in ZnCo₂O₄ Micro-/Nanospheres for Superior Lithium Storage with Boosted Kinetics and Stability

Jiaojiao Deng, Xiaoliang Yu, Xianying Qin, Dong Zhou, Lihan Zhang, Huan Duan, Feiyu Kang, Baohua Li, Guoxiu Wang

Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803612

导师介绍

李宝华

https://www.x-mol.com/university/faculty/61256

汪国秀

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227