四层镍钴锰金属氧化物微球制备高容量锂离子电池负极材料

【研究背景】

过渡金属氧化物因其具有较高的理论比容量、低成本等优势被视为理想的高性能锂离子电池负极材料。然而电极材料在充放电过程中存在较大的体积变化致使材料粉化剥落而降低其电化学性能。空心微球材料因其具有中空结构，比表面积大等优势，能显著缓解体积效应并缩短锂离子扩散路径，从而提高电极材料的循环性能及倍率性能。然而空心球因材料的振实密度低，体积能量密度低等原因限制了其商业化的应用。为此，设计具有层数可调的多层空心微球来优化电极材料，通过调节层数来改善材料以获得的电化学性能具有重要的研究意义。

【成果简介】

近日，加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室的陈忠伟教授报道了一种合成金属氧化物微球且具有层数可调，组分可控特点的重要方法。文章以罗丹为作者身份在国际期刊 ACS Nano上全文发表了题为 “Tuning Shell Numbers of Transition Metal Oxide Hollow Microspheres towards Durable and Superior Lithium STorage”的研究论文。研究人员首次研发出四层镍钴锰金属氧化物微球材料并系统的表征了四层空心微球的形貌，结构与性能，同时制备出高容量锂离子电池负极。研究人员首次使用高脚圆环暗场像模式的透射电镜（HAADF-STEM）从不同角度对四层空心微球观察和表征，并利用三维重构软件重现出四层空心微球的三维形貌与不同程度的微球的横截面形貌（如图二所示），对研究中空材料的内部结构具有非常重要的意义。所合成的四层空心微球具有较高的比表面积，利于锂离子的扩散。同时多层空心结构在充放电过程中可以缓解机械应力，维持材料结构稳定性，从而显著提高了复合材料电极的循环寿命及倍率性能。在0.2 A g-1 的电流密度下循环充放电250次后复合材料电极仍具有1097 mAh g-1 的容量。

【图文导读】

图1 多层金属氧化物的合成机理图

图2 四层镍钴锰金属氧化物微球的形貌表征

图3 四层镍钴锰金属氧化物微球的三维重构效果图

图4 四层镍钴锰金属氧化物微球的结构表征

图5 不同金属组分的四层过渡金属氧化物空心微球的形貌结构与表征

图6 不同层数的镍钴锰金属氧化物微球的形貌表征

图7 四层镍钴锰金属氧化物空心微球的电化学性能表征

【小结】

该工作的创新之处在于首次报道了一种简便且通用的方法来合成过渡金属氧化物并且设计组分可调，层数可控的空心微球。其中四层空心微球提高了材料的结构稳定性，缩短了离子扩散路径，从而显著提升了电极材料的循环性能与倍率性能。这项工作拓宽了设计过渡金属氧化物等材料的研究思路并可通过定向合成特定层数的中空多层材料以实现与优化材料所需的性能。