Li2O2構(gòu)筑高容量、高倍率充電機(jī)充電鋰電池方法解析
2017-8-20 9:06:13??????點(diǎn)擊：
【背景介紹】
鋰空氣充電機(jī)充電蓄電池因具有超高的理論能量密度而受到廣泛關(guān)注。鋰氧充電機(jī)充電蓄電池充電機(jī)充電蓄電池放電時(shí)在正極表面生成具有絕緣、不溶特性的過(guò)氧化鋰（Li2O2），隨著充電機(jī)充電蓄電池放電的進(jìn)行，電極表面被逐漸鈍化導(dǎo)致充電機(jī)充電蓄電池放電終止。據(jù)此，大尺寸Li2O2的生成將有利于延緩正極表面的鈍化，從而延長(zhǎng)充電機(jī)充電蓄電池放電時(shí)間，提高充電機(jī)充電蓄電池容量。然而，大尺寸Li2O2在電極表面往往隨機(jī)散落，難以保證其與電極材料之間的有效接觸，限制了充電機(jī)充電蓄電池的倍率性能和能量效率。因此，亟需實(shí)現(xiàn)大尺寸Li2O2在電極材料中的嵌入式生長(zhǎng)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中科院蘭州化學(xué)物理研究所的閻興斌研究員（通訊作者）等人發(fā)現(xiàn)，單晶α-MnO2納米棒憑借其優(yōu)先吸附Li+的特征以及納米棒主暴露面(020) 和 (110)對(duì)超氧化鋰（LiO2，充電機(jī)充電蓄電池放電中間產(chǎn)物）相近的吸附能，可促進(jìn)Li2O2經(jīng)MnO2表面快速、均勻成核，并誘導(dǎo)顆粒狀Li2O2的生成。而多晶的Co3O4納米片則優(yōu)先吸附O2，其不同晶面對(duì)LiO2吸附能相差較大，促使Li2O2經(jīng)Co3O4表面和溶液同時(shí)成核，并最終同時(shí)生成膜狀和片層充電機(jī)充電蓄電池放電產(chǎn)物。在此基礎(chǔ)上，研究人員將Co3O4納米片通過(guò)電化學(xué)沉積的方法負(fù)載于α-MnO2納米棒陣列上，一方面利用Li2O2在α-MnO2表面快速成核的特征，使α-MnO2作為L(zhǎng)i2O2的成核位點(diǎn)并誘導(dǎo)后續(xù)Li2O2的生長(zhǎng)，達(dá)到Li2O2從復(fù)合電極內(nèi)部生長(zhǎng)和延緩Co3O4表面鈍化的雙重效果。另一方面，以α-MnO2納米棒陣列為基底可使得到的Co3O4納米片更薄、表面積更大，能進(jìn)一步延長(zhǎng)充電機(jī)充電蓄電池放電時(shí)間；Co3O4納米片相互交織成框架結(jié)構(gòu)，有利于大尺寸Li2O2的存儲(chǔ)及其與電極材料的有效接觸。因此，該復(fù)合電極通過(guò)α-MnO2和Co3O4的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸Li2O2的嵌入式生長(zhǎng)，相應(yīng)的充電機(jī)充電蓄電池展現(xiàn)出了高比容量（～100 mA g-1時(shí)，比容量為4850 mAh g-1，是同條件下α-MnO2和Co3O4電極的3倍以上），高倍率性能（600 mA g-1時(shí)，比容量仍在3500 mAh g-1以上）和優(yōu)異的循環(huán)性能（限定容量為1000 mAh g-1時(shí)，可穩(wěn)定循環(huán)50 次以上）。相關(guān)成果以題為“Realizing the Embedded Growth of Large Li2O2 Aggregations by Matching Different Metal Oxides for High-Capacity and High-Rate Lithium Oxygen Batteries”發(fā)表在Adv. Sci.上。第一作者為博士研究生張鵬。
圖α-MnO2納米棒陣列的結(jié)構(gòu)特征及其電化學(xué)性能、充電機(jī)充電蓄電池放電后Li2O2的形貌。
a-c) α-MnO2納米棒陣列的XRD、SEM和TEM圖像。
d) α-MnO2電極在不同電流密度下的充電機(jī)充電蓄電池充充電機(jī)充電蓄電池放電曲線。
e-f) α-MnO2電極在～100 mA g-1和～300 mA g-1電流下充電機(jī)充電蓄電池放電后的SEM圖像。
Co3O4納米片陣列的結(jié)構(gòu)特征及其電化學(xué)性能、充電機(jī)充電蓄電池放電后Li2O2的形貌。
a-c) Co3O4納米片陣列的XRD、SEM和TEM圖像。
d) Co3O4電極在不同電流密度下的充電機(jī)充電蓄電池充充電機(jī)充電蓄電池放電曲線。
e-f) Co3O4電極在～100 mA g-1和～300 mA g-1電流下充電機(jī)充電蓄電池放電后的SEM圖像。
LiO2在電解液中的溶劑化能及其在Li2O2 (1111)、α-MnO2暴露面和Co3O4不同晶面上的吸附能。
a）LiO2在Li2O2 (1111)面的吸附能。
b）LiO2在TEGDME中的溶劑化能。
c, d) LiO2在α-MnO2 (110)和(020)晶面的吸附能。
e-h) LiO2在Co3O4 O-(111)、(112)、(110)和(311)晶面上的吸附能。
根據(jù)α-MnO2和Co3O4電極的充電機(jī)充電蓄電池放電特征構(gòu)筑復(fù)合電極的示意圖。
a, b) α-MnO2納米棒充電機(jī)充電蓄電池放電前、后示意圖。
c, d) Co3O4納米片充電機(jī)充電蓄電池放電前、后示意圖。
e, f) α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極充電機(jī)充電蓄電池放電前、后示意圖。
α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極的合成示意圖及其結(jié)構(gòu)特征。
a）α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極合成示意圖。
b, c) α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極的XRD圖像及其Mn、Co精細(xì)譜圖。
d, e) α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極的SEM和TEM圖像。
α-MnO2、Co3O4、α-MnO2-Co3O4電極的容量對(duì)比及α-MnO2-Co3O4電極的倍率性能、充電機(jī)充電蓄電池放電后Li2O2的形貌。
a, c) α-MnO2、Co3O4、α-MnO2-Co3O4電極在～100 mA g-1、～300 mA g-1時(shí)的充電機(jī)充電蓄電池充充電機(jī)充電蓄電池放電曲線。
b, d) α-MnO2-Co3O4電極在～100 mA g-1、～300 mA g-1充電機(jī)充電蓄電池放電后的SEM圖像。
e, f) α-MnO2-Co3O4復(fù)合電極的倍率性能。
α-MnO2、Co3O4、α-MnO2-Co3O4電極在限定容量下的過(guò)電勢(shì)、循環(huán)性能及相應(yīng)的紅外譜圖。
a) α-MnO2、Co3O4、α-MnO2-Co3O4電極在～100 mA g-1、1000 mAh g-1時(shí)的過(guò)電勢(shì)。
b) α-MnO2-Co3O4電極在不同循環(huán)次數(shù)下的充電機(jī)充電蓄電池充充電機(jī)充電蓄電池放電曲線。
c) α-MnO2、Co3O4、α-MnO2-Co3O4電極的循環(huán)性能。
d) 不同電極在第8次循環(huán)的紅外光譜。
【總結(jié)】
該研究基于不同電極材料在鋰氧充電機(jī)充電蓄電池中充電機(jī)充電蓄電池放電特征的不同，通過(guò)合理設(shè)計(jì)復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電極材料間的協(xié)同作用，最終實(shí)現(xiàn)了大尺寸充電機(jī)充電蓄電池放電產(chǎn)物在電極框架中的嵌入式生長(zhǎng)并顯著提高了鋰氧充電機(jī)充電蓄電池的電化學(xué)性能。該項(xiàng)工作為高性能鋰氧充電機(jī)充電蓄電池正極的設(shè)計(jì)提供了新的研究思路和方法。
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