為了鋰離子電池(LIBs)的發(fā)展，尋找高性能的負(fù)極材料替代較低容量的石墨是一個(gè)關(guān)鍵問題。因此，開發(fā)高能量密度、長循環(huán)壽命和低成本的新型負(fù)極材料成為研究重點(diǎn)。金屬氧化物，容量高且對(duì)環(huán)境友好，是有前景的候選材料之一;然而，其在充放電期間的巨大體積變化使得材料易粉碎和聚集，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命差。此外，金屬氧化物通常導(dǎo)電性較差，會(huì)影響活性材料的充放電速度和利用率。為了減輕這些問題，需要將金屬氧化物材料粒徑減小到納米尺度，并與其他導(dǎo)電骨架材料(如碳材料)結(jié)合在一起。最近，南京大學(xué)的金鐘教授課題組設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便的兩步方法(圖1)，合成了MnO顆粒填充的氮摻雜碳納米膠囊(MnO@NC)材料，該材料呈現(xiàn)出核桃狀多核殼結(jié)構(gòu)，不僅提供了良好導(dǎo)電性和較短的離子擴(kuò)散路徑，而且能有效地緩解循環(huán)中MnO納米顆粒的體積膨脹。作為負(fù)極材料時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該工作最近發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials,2018,1800003上。

圖1.MnO@NC納米膠囊的合成步驟示意圖。

圖2.MnO@NC納米膠囊作為LIBs負(fù)極的電化學(xué)性能;(a)CV曲線，(b)在500mAg-1電流密度下的充放電曲線;(c)在500mAg-1電流密度下進(jìn)行500次循環(huán)的循環(huán)性能;(d)在100至5000mAg-1下的倍率性能。

圖3.(a)MnO@NC納米膠囊作為LIBs負(fù)極的長期循環(huán)性能;(b)MnO@NC納米膠囊中鋰離子嵌入/脫出過程示意圖。

研究發(fā)現(xiàn)，核桃狀多核殼結(jié)構(gòu)的MnO@NC納米膠囊作為LIBs負(fù)極，顯示了良好的電化學(xué)性能(圖2)。在500mAg-1的電流密度下，500次循環(huán)后容量保持在767mAhg-1。在100,200,500,1000,2000,3000,5000mAg-1的電流密度下容量分別為762,707,643,570,512,454和358mAhg-1;當(dāng)電流密度恢復(fù)到500mAg-1時(shí)，容量恢復(fù)并保持在658mAhg-1，體現(xiàn)良好的倍率性能。在1000mAg-1電流密度下循環(huán)1000圈之后，容量仍然保持在624mAhg-1，庫侖效率接近100%，體現(xiàn)了優(yōu)越的循環(huán)性能(圖3)。此外，將其于正極材料LiFePO4進(jìn)行搭配，組裝成軟包全電池，也展示了良好的柔韌性和循環(huán)性能。

通過機(jī)理分析可知，MnO@NC納米膠囊具有優(yōu)良電化學(xué)性能的原因是:(1)獨(dú)特的核桃狀多核殼結(jié)構(gòu)縮短了離子傳輸路徑，并可以緩解充放電過程中體積膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力;(2)氮摻雜碳?xì)痈纳屏瞬牧系膶?dǎo)電性，有利于電子或離子的傳輸;(3)核桃狀多核殼結(jié)構(gòu)防止了MnO納米顆粒的團(tuán)聚，有效地保證電極材料的結(jié)構(gòu)在長時(shí)間循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，不被破壞。