原位法在NiO@NiO/NF自支撑材料中构筑夹层用于高面积比容量锂离子电池

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

在各类电子器件、电动汽车、航空航天等领域的实际应用中，锂离子电池的面积比容量是一个至关重要的参数。因此，构建具有高活性材料负载量及高面积比容量的稳定电极具有重要意义。近日，东北师范大学孙海珠教授（点击查看介绍）课题组通过一步溶剂热及退火的简单方法成功合成了NiO@NiO/NF多层材料，其作为锂离子电池电极材料，表现出优异的电化学性能及良好的稳定性。

目前大多数的报道集中于研究电极中活性材料的质量比容量。通常，活性材料要与导电剂及粘结剂均匀混合后，薄薄地涂覆在导电集流体上，这导致了在电极中，活性材料所占比例及其含量都较低，从而影响电极整体的质量比容量及面积比容量。自支撑材料可以避免导电剂与粘结剂的使用，但将活性材料直接生长在集流体上的传统方法并不能保证活性材料在多次充放电循环后仍附着在集流体上，并且，引入质量过重而又不能贡献容量的集流体，导致电极整体质量比容量降低。

东北师范大学孙海珠教授课题组合成的多层NiO@NiO/NF自支撑材料有效地解决了上述问题。在NiO@NiO/NF多层材料中，通过一步溶剂热反应，Ni(OH)₂纳米花均匀生长在泡沫镍表面，而后通过准确控制退火条件，使泡沫镍部分发生氧化反应，形成表面层NiO纳米花、夹层NiO、泡沫镍（NF）骨架交替的多层结构。其中，来源于泡沫镍骨架氧化的夹层有效地增强了各层之间的粘结力。在充放电循环1000次之后，表层纳米花仍紧密的附着在骨架上，材料整体仍保持良好的完整性与柔韧性。由于泡沫镍骨架原位形成了夹层，使原本较重且不贡献容量的骨架部分成为活性物质，为材料整体贡献容量，提高活性物质负载量从而得到高面积比容量的电极。

该材料在1.20 mA cm^-2的电流密度下，可达到1.98 mAh cm^-2的容量，循环100圈之后仍保持1.45 mAh cm^-2。SEM及CV测试进一步证明夹层的重要作用及逐步储锂的机理。通过与NiO@NiO/NF-500对比，证明含有夹层的材料其层间结合力更强，在循环1000圈之后活性材料并未发生脱落。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是东北师范大学博士研究生李艳飞，范朝英博士为共同通讯作者。

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Carbon/Binder Free NiO@NiO/NF with In Situ Formed Interlayer for High-Areal-Capacity Lithium Storage

Yan-Fei Li, Yan-Hong Shi, Shu-Guang Wang, Jin-Hua Liu, Jian Lin, Yu Xia, Xing-Long Wu, Chao-Ying Fan, Jing-Ping Zhang, Hai-Ming Xie, Hai-Zhu Sun, Zhong-Min Su

Adv. Energy Mater., 2019; DOI: 10.1002/aenm.201803690

孙海珠博士介绍

孙海珠教授课题组研究方向定位在新能源材料的设计合成与性能研究上，所获材料在太阳能电池、储能装置、光催化和光解水等新能源领域具有广泛应用。课题组的研究宗旨就是“绿色环保”，因此，对于绝大部分材料，制备过程中所使用的溶剂都是水或其他环境友好的溶剂；器件构筑过程也是以水相加工为主。孙海珠教授以第一或通讯作者身份在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B. Envrion., Small, Chem. Mater.，ACS Energy Lett.，J. Mater. Chem.（A，B，C），ChemSusChem，ACS Appl. Mater. Interfaces 等国际重要学术期刊上发表SCI文章80余篇；已授权中国发明专利5项；编写著作1部；主持国家自然科学基金面上项目，国家自然科学青年基金项目，吉林省科技支撑计划重大科技攻关专项、吉林省青年科学基金项目等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9502

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究目的是合成一种具有高活性材料负载量及高稳定性的负极材料。目前大多数的报道集中于研究电极中活性材料的质量比容量。通常，活性材料要与导电剂及粘结剂均匀混合后，薄薄地涂覆在导电集流体上，这样就很难达到高活性材料负载量的要求。所以我们采用了自支撑结构来解决此问题。采用与基底材料类似或相同的材料作为活性物质，以此增加自支撑结构的整体稳定性。

Q：研究过程中遇到的最大的挑战在哪里？

A：本研究中最大的挑战是如何在增加活性材料负载量的同时，保持电极材料结构的稳定性与一体性，并且不会过多引入非活性物质降低电极整体的能量密度。

本研究中，选用具有高活性及高比表面积的泡沫镍作为基底，花状NiO作为活性材料，通过准确合理的控制退火温度，使泡沫镍部分氧化成为NiO形成具有多层活性物质的多层结构，这样既增强了花状NiO与基底的粘结力，又在减轻无法贡献容量的泡沫镍重量的同时额外增加了活性材料负载量。本研究中，力求用简洁的实验过程，构造最优的电极结构，达到最佳的电化学性能。在电极材料结构及实验设计上需精雕细琢。

Q：本项目研究成果最有可能的重要应用有哪些？

A：该电极材料具有较高的活性物质负载量及能量密度，在长期充/放电测试后，电极仍具有较好的完整性与柔性。我们相信这项研究成果为制备具有高能量密度与优异稳定性的自支撑电极提供了新思路，并对相关领域的发展产生推动作用。