局域電場助力高性能充電機充電鋰離子電池
2017-8-14 8:57:22??????點擊：
【引言】
從大范圍能源儲存體系至便攜電子器件，鋰離子充電機充電蓄電池在其中扮演著重要角色，因此提高其功率密度、能量密度和循環(huán)壽命是十分必要的。鍺基材料有著高理論比容量、快速充電機鋰離子擴散率和高電導(dǎo)率，十分適用于鋰電陽極。然而，體積膨脹和粒子團聚問題使得其充電機充電蓄電池電化學(xué)性能不盡人意。
在三元鍺酸鹽中，CuGeO3擁有獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)，能提供體積膨脹所需的緩沖空間，還能使得反應(yīng)限制在層內(nèi)形成“微型反應(yīng)池”提高充電機充電蓄電池電化學(xué)活性。除此以外，CuGeO3的晶體結(jié)構(gòu)使得充放電可逆，延長了循環(huán)壽命。
另一方面，當(dāng)二維材料的厚度減少至原子尺度時，由于內(nèi)在的無機固體發(fā)生變化，產(chǎn)生了自適應(yīng)缺陷。這些缺陷能有效地調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)而無需改變原始晶格，將有利于鋰充電機充電蓄電池倍率性能。更重要的是，二維納米結(jié)構(gòu)擁有無比的“3S”特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高活性表面積，縮短了了鋰存儲的路徑。
【成果簡介】
近日，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的肖翀教授、謝毅教授（中科院院士），以及澳大利亞伍倫貢大學(xué)的郭再萍教授（共同通訊作者）在著名期刊ACS Nano上發(fā)表題為” Local Electric Field Facilitates High-Performance Li-Ion Batteries”的論文。該文章報道了一種常規(guī)液相剝離法制成的二維CuGeO3超薄納米片(充電機充電蓄電池CGOUNs)/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)的鋰電陽極材料。有趣的是，當(dāng)CuGeO3的厚度減少至原子尺度時，由于有較多的表面原子輕易離開了二維晶格，產(chǎn)生自適應(yīng)氧空位。第一性原理計算表明，產(chǎn)生明顯的電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，使得電子分布不平衡，在氧空位區(qū)域上產(chǎn)生了局域電場。該微型面內(nèi)局域電場能加快離子/電子的遷移率，提高電極材料的電荷轉(zhuǎn)換速率。并且，通過把石墨烯作為導(dǎo)電基底和緩沖層，提高了該材料的循環(huán)壽命和倍率性能。
【圖文導(dǎo)讀】
塊狀CuGeO3電極的原位同步加速X射線粉末衍射圖(SXRPD)。
(a) CuGeO-3的SXRPD信號反映；
(b) CuGeO3的晶體結(jié)構(gòu)；
(c) 10°-11°包含(201)峰的SXRPD；
(d) 13°-14.5°包含(011)和(210)峰的SXRPD。
充電機充電蓄電池CGOUNs和充電機充電蓄電池CGOUNs石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)。
(a) 充電機充電蓄電池CGOUNs的XRD圖；
(b) 充電機充電蓄電池CGOUNs的AFM圖;
(c) 充電機充電蓄電池CGOUNs的HAADF-STEM圖；
(d) 充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯的拉曼光譜；
(e) 充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯的STEM-HAADF圖；
(f)-(i) 充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯的EDS圖。
充電機充電蓄電池電化學(xué)性能。
(a) CV圖；
(b) 不同充電機充電蓄電池電流密度的CGD圖；
(c) 倍率性能圖；
(d) 與其他納米鍺基陽極倍率特性的比較；
(e) 長時間循環(huán)壽命。
原子尺度的缺陷表征和對應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)計算。
(a) SR結(jié)果；
(b) /(c) Vo??不同電荷密度；
(d) 氧空位自由CuGeO3的電荷密度分布；
(e) 不同位點下的氧空位區(qū)域1；
(f) 不同位點下的氧空位區(qū)域2；
(g) 充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯的氧空位；
(h) 充電機充電蓄電池CGOUNs的氧空位；
(i) 氧空位區(qū)域的電荷轉(zhuǎn)移行為；
(j) 局域電場增強高倍率性能的原理。
【小結(jié)】
通過關(guān)注高性能鋰充電機充電蓄電池中鋰離子遷移行為的內(nèi)在因素，從實驗上得到了限制在充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)的氧空位作為高性能陽極材料。在該充電機充電蓄電池體系中，納米片構(gòu)造的原子厚度提供了充足的活性位點來提升高容量，并釋放結(jié)構(gòu)壓力以此防止結(jié)構(gòu)遭破壞。更重要的是，自適應(yīng)原子尺度氧空位能引發(fā)面內(nèi)自建電場，加快離子/電子遷移率，提高倍率性能。除此以外，石墨烯基底則作為彈性緩沖層、電子傳輸通道和額外的界面儲鋰來源。收益于該多尺度階梯式策略，充電機充電蓄電池CGOUNs/石墨烯在100mA g-1充電機充電蓄電池電流密度下展示了高達1295mAh g-1的比容量，良好的倍率特性以及長循環(huán)壽命。
- 上一篇：電動汽車PMSM退磁故障及充電機故障模式診斷識別 2017/8/14
- 下一篇：三維氮摻雜石墨烯作為鈉離子充電機充電電池負(fù)極材料 2017/8/14
