北大Adv. Mater. : 硼氮共掺杂石墨纳米管封装中空过渡金属氧化物(TMO)纳米颗粒(NPs)作为高性能锂离子电池负极

【引言】

过渡金属氧化物纳米颗粒(TMO-NPs)由于其理论容量高，是用于锂离子电池的电极材料之一，但其具有导电性差、稳定性低、充电/放电过程中体积变化较大以及与电解液形成厚的固态电解质界面(SEI)等缺点，使得其实际容量较低，容量衰减迅速，限制了其商业化。研究人员一直致力于通过形态控制和碳涂覆来优化TMO-NPs的性能。以蛋黄-蛋壳纳米结构作为负极材料，能够解决体积变化大、电导率低、锂离子传输/扩散路径短带来的问题。

【成果简介】

近日，北京大学郭少军教授、邹如强研究员(共同通讯作者)等报道了一种通过结合热解和氧化的方法将中空过渡金属氧化物(TMO)纳米颗粒(NPs)封装到硼氮共掺杂石墨纳米管(TMO@BNG(TMO = CoO、Ni₂O₃和Mn₃O₄)的通用策略，并在Adv. Mater.上发表了题为“A Universal Strategy for Hollow Metal Oxide Nanoparticles Encapsulated into B/N Co-Doped Graphitic Nanotubes as High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes”的研究论文。上述TMO@BNG具有TMO依赖的储锂性能，CoO@BNG纳米管具有很高的储锂容量(96 mA·g^-1电流密度下1554 mAh·g^-1)，良好的倍率性能(1.75 A·g^-1下410 mAh·g^-1)和高稳定性(480周期后保留几乎96%存储容量)。该工作突出了将薄壁中空TMO NPs引入具有大表面积的BNG对于增强LIBs的存储容量、倍率性能以及循环稳定性的重要性。

【图文简介】
图1 MO@BNG纳米管制备过程

MO@BNG (MO = CoO、Ni₂O₃和 Mn₃O₄)纳米管制备过程示意图

图2 CoO@BNG纳米管的形貌和结构表征

a,b) CoO@BNG纳米管的FESEM图像；

c) CoO@BNG纳米管的STEM元素分布；

d) CoO@BNG纳米管的TEM图像；

e) CoO@BNG纳米管的HRTEM图像以及中空CoO纳米颗粒的FFT图像。

图3 其他MO@BNG纳米管的形貌和结构表征

a,b) Ni₂O₃@BNG 纳米管的FESEM和TEM图像；

c,d) Mn₃O₄@BNG纳米管的FESEM和TEM图像。

图4 MO@BNG纳米管的晶体结构和氮气吸附表征

a) MO@BNG纳米管的XRD谱图；

b) MO@BNG纳米管的Raman光谱；

c) CoO@BNG纳米管的Co 2p XPS谱图；

d) CoO@BNG的氮气吸脱附曲线。

图5 MO@BNG纳米管的电化学性能

a) CoO@BNG纳米管的CV曲线；

b) CoO@BNG纳米管的充放电曲线；

c) MO@BNG纳米管储存性能比较；

d) 不同电流密度下，CoO@BNG纳米管的储存容量；

e) 1.75 A·g^-1下，CoO@BNG纳米管的长期循环稳定性。

图6 MO@BNG纳米管的稳定性

a) 0.1 A·g^-1下80次循环后CoO@BNG纳米管的TEM图像；

b) MO@BNG 纳米管的EIS谱线。

【小结】

总而言之，研究人员通过结合热解过程和纳米柯肯道尔效应简单的合成了TMO-BNG纳米结构。TMOs孔隙空间的设计能够解决锂化过程中体积膨胀问题。所合成的CoO@BNG纳米管具有高达1451 mAh·g-1的可逆放电容量，高于Mn3O4@BNG以及Ni2O3@BNG纳米管。在高电流密度(1.75 A·g^-1)下，其循环稳定性良好(480次循环后容量保留96%)。上述工作为设计用于具有高储能能力和稳定性的先进LIBs的稳定碳-中空过渡金属氧化物复合材料开辟了一条有效的途径。

文献链接： A Universal Strategy for Hollow Metal Oxide Nanoparticles Encapsulated into B/N Co-Doped Graphitic Nanotubes as High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705441)

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