Adv. Energy Mater. 用于锂电池的一种纳米粒子包覆碳纤维的超稳定阴极材料

【引言】

目前对于高能量密度储存的锂离子电池的需求日益增加，如电动汽车和电网上的负载均衡设备均要求高的能量密度和更好的耐用性。在锂离子电池的技术中，新电极材料的发展已经成为未来锂离子电池的至关重要的一步。各种各样的正极材料在近些年来已经被研究并取得很大的进步。但是高比容量的阴极材料却落后于阳极材料的发展，它已成为锂离子电池能量密度储存应用的一个瓶颈，因而锂离子电池最为重要的挑战是提高负极材料高倍率下的循环稳定性。

【成果简介】

近日，东华大学胡俊青教授课题组和香港城市大学李振声教授、张文军教授人发现了一种新型的复合结构材料即嵌在三维网状多孔炭阵列的V₂O₅纳米粒子包覆碳纤维的阴极材料，有效的解决了纳米结构的V₂O₅负极材料由于结构劣化、固态电解质层不稳定以及电子导电性差导致的容量低、衰减快、循环稳定性差等问题。

【图文导读】

图1.样品的形貌和结构

(a) CFs包覆碳前驱体层的SEM图；

(b-d) 3D网状碳阵列包覆的 CFs材料在不同放大倍数下的SEM图，(d)中的内部插图为3D网状多孔碳阵列的示意图；

(e) V₂O₅/3DC-CF复合物的SEM图，内部插图为V₂O₅/3DC复合物结构示意图；

(f)V₂O₅/3DC-CF复合物的XRD图谱(上部分)和JCPDS卡片(V₂O₅,NO.41-1426)(下部分)；

(g)V₂O₅/3DC复合物的TEM图；

(h)V₂O₅纳米粒子的HRTEM图，内部插图为相应的FFT模式。

图2.样品的电化学性能

 (a)V₂O₅/3DC-CF复合物在扫描速率为0.1 mV/s时电压范围在2.0-4.0V扫描范围内的CV曲线；

(b)V₂O₅/3DC-CF化合物在0.1C的恒电流密度和2.0-4.0V的电压范围的充放电曲线；

(c)3D网状的V₂O₅/3DC-CF电极在不同的电流密度下的倍率性能；

(d)V₂O₅/3DC-CF复合物在1C下的循环性能和相应的库仑效率；

(e)V₂O₅/3DC-CF复合物、V₂O₅纳米粒子、V₂O₅纳米片阵列电极在10C下的循环性能，内部插图是V₂O₅纳米粒子的SEM图(左图)，右图是V2O5纳米片阵列电极的SEM图；

(f)负载不同含量的V₂O₅纳米粒子的V₂O₅/3DC-CF化合物电极在10C下的循环性能，内部插图左图是负载量为0.52 mg cm^-2的复合材料电极的SEM图，中间图是负载量为2.48 mg cm^-2 的复合材料电极的SEM图，右图是负载量为3.17 mg cm^-2 的复合材料电极的SEM图。

图3.样品的TEM图

(a)对于Li+嵌入脱出过程的原位TEM观察的示意图；

(b)锂离子嵌入前的V₂O₅/3DC复合物的TEM图，红色和蓝色圈分别显示的是在3DC阵列的内部和边缘的V₂O₅纳米粒子；

(c-e)在阵列边缘的V₂O₅纳米粒子分别在锂离子嵌入时间为1,5和20min时的形貌变化过程；

(f-h)在阵列内部的V₂O₅纳米粒子分别在锂离子嵌入时间为1,5和20min时的形貌变化过程；

(i)V₂O₅/3DC复合物在锂离子脱出后第一圈的TEM图；

(j)V₂O₅/3DC复合物在锂离子脱出后第十圈的TEM图。

图4.样品的阻抗

(a)V₂O₅/3DC-CF复合物电极在5mV频率范围为100KHz-0.01Hz范围内的Nyquist点;

(b)V₂O₅/3DC-CF复合物电极的等效电路模型，Rs为电解液电阻，CPE1和Rf分别是电极表面钝化层的电容和电阻，Zw是和锂离子扩散进入电极相关的Warburg阻抗；

(c)V₂O₅/3DC-CF复合物在电化学循环之前的示意图；

(d)SEI层形成的原理图，以及电子和锂离子在V₂O₅/3DC-CF复合物的转移原理图。

【展望】

V₂O₅/3DC-CF复合物成功的合成用作锂离子电池负极材料，该复合材料的特殊组成和结构设计使V₂O₅纳米粒子有效的负载其上，这提高了电子和粒子的传输效率，另一方面，3DC-CFs由于没有粘结剂和导电材料的添加而可以直接作为集流器使用。V₂O₅/3DC-CF复合物优异的电化学性能使其有望成为高性能锂离子电池负极材料的替代品。

胡俊青教授简介

胡俊青，男，博士生导师，曙光学者，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.， Chem. Commun.，Appl. Phys. Lett.等国际著名刊物特约审稿人和仲裁审稿人;美国材料学会、美国电镜学会、美国电化学学会、日本电镜学会会员。研究方向包括纳米材料的合成、性能与器件，纳米材料的原位操作与线物理性能以及透射电子显微学等。2008年教育部"新世纪优秀人才支持计划"; 2008年上海市"曙光学者"; 2009年上海市"浦江人才计划"; 2004年日本国家材料科学研究所，国际青年科学家中心(ICYS)，Independent Research Fellow; 2002年日本科学振兴学会(JSPS)博士后奖学金。申请日本专利21项，其中11项专利已经授权。与日本国家材料科学研究所、悉尼大学、新加坡国立大学、香港城市大学、香港中文大学、台湾清华大学、麻省理工学院等国际著名研究机构进行广泛的学术交流和合作。先后参加国际学术会议20余次，其中大会特邀报告6次。

原文链接：Nanoparticles Encapsulated in Porous Carbon Matrix Coated on Carbon Fibers: An Ultrastable Cathode for Li-Ion Batteries (Adv. Energy Mater.，2016，DOI:10.1002/aenm.201601363)

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