【研究背景】

過渡金屬氧化物因其具有較高的理論比容量、低成本等優(yōu)勢被視為理想的高性能鋰離子電池負極材料。然而電極材料在充放電過程中存在較大的體積變化致使材料粉化剝落而降低其電化學性能?？招奈⑶虿牧弦蚱渚哂兄锌战Y(jié)構(gòu)，比表面積大等優(yōu)勢，能顯著緩解體積效應(yīng)并縮短鋰離子擴散路徑，從而提高電極材料的循環(huán)性能及倍率性能。然而空心球因材料的振實密度低，體積能量密度低等原因限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。為此，設(shè)計具有層數(shù)可調(diào)的多層空心微球來優(yōu)化電極材料，通過調(diào)節(jié)層數(shù)來改善材料以獲得最佳的電化學性能具有重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉教授報道了一種合成金屬氧化物微球且具有層數(shù)可調(diào)，組分可控特點的重要方法。文章以羅丹為第一作者身份在國際知名期刊ACSNano上全文發(fā)表了題為“TuningShellNumbersofTransitionMetalOxideHollowMicrospherestowardsDurableandSuperiorLithiumStorage”的研究論文。研究人員首次研發(fā)出四層鎳鈷錳金屬氧化物微球材料并系統(tǒng)的表征了四層空心微球的形貌，結(jié)構(gòu)與性能，同時制備出高容量鋰離子電池負極。研究人員首次使用高腳圓環(huán)暗場像模式的透射電鏡（HAADF-STEM）從不同角度對四層空心微球觀察和表征，并利用三維重構(gòu)軟件重現(xiàn)出四層空心微球的三維形貌與不同程度的微球的橫截面形貌（如圖二所示），對研究中空材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。所合成的四層空心微球具有較高的比表面積，利于鋰離子的擴散。同時多層空心結(jié)構(gòu)在充放電過程中可以緩解機械應(yīng)力，維持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而顯著提高了復合材料電極的循環(huán)壽命及倍率性能。在0.2Ag-1的電流密度下循環(huán)充放電250次后復合材料電極仍具有1097mAhg-1的容量。

【圖文導讀】

圖1多層金屬氧化物的合成機理圖

圖2四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的形貌表征

圖3四層鎳鈷錳金屬氧化物微球的三維重構(gòu)效果圖