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一种独特的表面修饰层优化富锂材料储锂性能

Science China Press

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IMAGE: 镶嵌有镍钴合金纳米点的碳包覆的富锂层状氧化物材料的结构示意图;包覆前后材料在0.4 C电流密度下的循环性能对比;包覆前后材料在0.4 C电流密度下循环50圈后的选区电子衍射图。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

便携式电子设备和电动汽车的快速发展对锂离子电池提出了高能量密度、高功率密度、低成本和长使用寿命的要求。在目前的商业化锂离子电池中,相比于石墨负极(理论容量为372 mAh g–1),正极材料较低的比容量,如钴酸锂(150 mAh g–1)成为限制电池发展的瓶颈。在众多的正极材料中,富锂层状氧化物材料由于其具有极高的比容量(>250 mAh g–1)和工作电压(> 3.5 V vs. Li+/Li)而引起了广泛的关注。然而,在充放电过程中由层状向尖晶石相的不可逆相变而引起的较差的循环和倍率性能限制了其应用发展。

为了优化电极材料的电化学性能,武汉理工大学麦立强教授课题组提出了一种普适的碳包覆技术[1]。在此方法的基础上,他们又巧妙地在富锂材料表面构筑了一层独特的镍钴纳米点镶嵌的碳包覆层 [2]。该修饰后的富锂层状氧化物电极材料表现出优异的循环和倍率性能,其在0.4 C的电流密度下循环100圈容量保持率可达95%,在2 C的电流密度下循环300圈容量保持率可达90%,在5 C的电流密度下可逆比容量仍达159 mAh g–1。

原位X射线衍射,循环后的电化学阻抗谱和选区电子衍射分析表明:经包覆后的富锂层状氧化物材料优异的电化学性能得益于特殊的镍钴合金纳米点镶嵌的碳包覆层,其提高了富锂材料的电子电导率(提高5倍),降低了离子扩散阻抗,并提供了稳定的保护结构,抑制了循环过程中材料表面由层状向尖晶石相的不可逆相变,避免了电极材料与电解液接触时表面副反应的发生。该项目由国家重点研发计划(No. 2016YFA0202603)和国家重点基础研究发展计划(No. 2013CB934103)等提供支持。

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Jiashen Meng, Xiong Liu, Jiantao Li, Qi Li, Chuan Zhao, Linhan Xu, Xuanpeng Wang, Fang Liu, Wei Yang, Xiaoming Xu, Ziang Liu, Chaojiang Niu, and Liqiang Mai. General oriented synthesis of precise carbon-confined nanostructures by low-pressure vapor superassembly and controlled pyrolysis. Nano letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03982

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b03982

Zhitong Xiao, Jiashen Meng, Qi Li, Xuanpeng Wang, Meng Huang, Ziang Liu, Chunhua Han, and Liqiang Mai. Novel MOF shell-derived surface modification of Li-rich layered oxide cathode for enhanced lithium storage. Science Bulletin, 2017, Doi : 10.1016/j.scib.2017.12.011

https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.12.011

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