【研究背景】

過(guò)渡金屬氧化物因其具有較高的理論比容量、低成本等優(yōu)勢(shì)被視為理想的高性能鋰離子電池負(fù)極材料。然而電極材料在充放電過(guò)程中存在較大的體積變化致使材料粉化剝落而降低其電化學(xué)性能。空心微球材料因其具有中空結(jié)構(gòu)，比表面積大等優(yōu)勢(shì)，能顯著緩解體積效應(yīng)并縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，從而提高電極材料的循環(huán)性能及倍率性能。然而空心球因材料的振實(shí)密度低，體積能量密度低等原因限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)具有層數(shù)可調(diào)的多層空心微球來(lái)優(yōu)化電極材料，通過(guò)調(diào)節(jié)層數(shù)來(lái)改善材料以獲得最佳的電化學(xué)性能具有重要的研究意義。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實(shí)驗(yàn)室的陳忠偉教授報(bào)道了一種合成金屬氧化物微球且具有層數(shù)可調(diào)，組分可控特點(diǎn)的重要方法。文章以羅丹為第一作者身份在國(guó)際知名期刊ACSNano上全文發(fā)表了題為“TuningShellNumbersofTransitionMetalOxideHollowMicrospherestowardsDurableandSuperiorLithiumStorage”的研究論文。研究人員首次研發(fā)出四層鎳鈷錳金屬氧化物微球材料并系統(tǒng)的表征了四層空心微球的形貌，結(jié)構(gòu)與性能，同時(shí)制備出高容量鋰離子電池負(fù)極。研究人員首次使用高腳圓環(huán)暗場(chǎng)像模式的透射電鏡（HAADF-STEM）從不同角度對(duì)四層空心微球觀察和表征，并利用三維重構(gòu)軟件重現(xiàn)出四層空心微球的三維形貌與不同程度的微球的橫截面形貌（如圖二所示），對(duì)研究中空材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。所合成的四層空心微球具有較高的比表面積，利于鋰離子的擴(kuò)散。同時(shí)多層空心結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中可以緩解機(jī)械應(yīng)力，維持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而顯著提高了復(fù)合材料電極的循環(huán)壽命及倍率性能。在0.2Ag-1的電流密度下循環(huán)充放電250次后復(fù)合材料電極仍具有1097mAhg-1的容量。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1多層金屬氧化物的合成機(jī)理圖

圖2四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖3四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的三維重構(gòu)效果圖