新型納米超分級(jí)結(jié)構(gòu)Ni/Porous-Ni/V2O5高性能儲(chǔ)鋰電極

【引言】

電化學(xué)儲(chǔ)能作為一種穩(wěn)定高效易于運(yùn)輸?shù)膬?chǔ)能方式近年來(lái)已經(jīng)深入人們的日常生活中。鋰電池作為眾多電化學(xué)儲(chǔ)能方式的典型代表，在最近二十余年中，有關(guān)其的研究成果一直層出不窮。研究人員始終致力于有關(guān)如何提升鋰電池電化學(xué)性能的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。如何設(shè)計(jì)并制備出具有高容量和能量密度、能量輸出穩(wěn)定以及可靠壽命的鋰電池正極材料這一話題始終是研究焦點(diǎn)，尤其是近年來(lái)開始受到關(guān)注的具有納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的免粘接劑的新型電極材料的設(shè)計(jì)和制備十分具有挑戰(zhàn)性。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，美國(guó)德克薩斯A＆M大學(xué)（Texas A＆M University）機(jī)械工程系及材料科學(xué)與工程系Dr． Hong Liang教授（通訊作者）設(shè)計(jì)并成功制備出了一種具有創(chuàng)新性的三維納米超分級(jí)結(jié)構(gòu)的鎳／孔陣鎳／五氧化二釩納米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）復(fù)合材料。當(dāng)其直接用于鋰電池正極材料時(shí)，均表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)充放電循環(huán)性能，并且這種新型的電極材料無(wú)需任何有機(jī)粘接劑，大大提高了電化學(xué)性能并優(yōu)化了電池組裝流程。最后，作者借助一系列分析手段進(jìn)行了機(jī)理分析，結(jié)果表明這種新型電極材料的優(yōu)異性能主要得益于三方面的協(xié)同效應(yīng)一是新型鎳孔陣列集流體，二是具有納米結(jié)構(gòu)的五氧化二釩納米片及其組裝而成的微米花朵結(jié)構(gòu)，三是具有創(chuàng)新性的無(wú)粘接劑技術(shù)制備電極。這些優(yōu)點(diǎn)集合而成優(yōu)勢(shì)有助于提高電極材料的電化學(xué)能量輸出和循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果日前以題為“Superhierarchical Nickel–Vanadia Nanocomposites for Lithium Storage”發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下的國(guó)際知名期刊ACS Applied Energy Materials上，課題組博士生Yuan Yue為論文第一作者。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 Ni／Porous－Ni／V2O5復(fù)合材料的XRD晶體學(xué)表征

圖2 Ni／Porous－Ni／V2O5復(fù)合材料及其對(duì)照組Ni／V2O5的掃描電鏡圖像

（a）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率掃描電鏡圖像；

（b）退火前的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率掃描電鏡圖像；

（c）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5高倍率掃描電鏡圖像；

（d）退火前的Ni／V2O5對(duì)照組樣品低倍率掃描電鏡圖像。

圖3 Ni／Porous－Ni／V2O5復(fù)合材料及其對(duì)照組Ni／V2O5作為鋰電池正極的電化學(xué)表征結(jié)果

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循環(huán)100次過(guò)程中的充放電性能曲線；

（b）Ni／V2O5在0．2 C低速循環(huán)100次過(guò)程中的充放電性能曲線；

（c）Ni／Porous－Ni／V2O5和對(duì)照組Ni／V2O5在0．2 C低速循環(huán)100次時(shí)的比容量和庫(kù)倫效率變化的對(duì)比；

（d）Ni／Porous－Ni／V2O5和對(duì)照組Ni／V2O5在3．0 C高速循環(huán)500次時(shí)的比容量和庫(kù)倫效率變化的對(duì)比。

圖4 Ni／Porous－Ni／V2O5復(fù)合電極材料在100次充放電循環(huán)前后的形貌對(duì)比

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在充放電循環(huán)之前的掃描電鏡圖像；

（b）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循環(huán)100次之后的掃描電鏡圖像

【小結(jié)】

作者通過(guò)簡(jiǎn)單的電化學(xué)沉積和水熱合成方式，成功制備出了一種具有創(chuàng)新性的三維納米超分級(jí)結(jié)構(gòu)的鎳／孔陣鎳／五氧化二釩納米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）復(fù)合材料，通過(guò)表征和分析這種三維納米超分級(jí)結(jié)構(gòu)Ni／Porous－Ni／V2O5鋰電池電極的性能優(yōu)勢(shì)，作者歸納出以下三點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)1）該電極采用了新型Ni／Porous－Ni集流體，該集流體具有垂直對(duì)齊的大量致密微米級(jí)多孔陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于提高集流體的比表面積并提升電子傳輸效率；（2）該電極的V2O5活性材料是一張新型的超薄二維納米片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以大幅提升活性材料的表面積并且減小鋰離子在其中的擴(kuò)散距離；（3）更為重要的是，該電極采用了新穎的無(wú)粘接劑方式來(lái)組裝活性材料和集流體，這種方式有效避免了傳統(tǒng)電池電極組裝過(guò)程中采用有機(jī)粘接劑帶來(lái)的一系列弊病，使得活性材料能夠以致密但無(wú)團(tuán)聚的理想方式緊密分布在集流體表面，從而提升電化學(xué)傳輸性能和循環(huán)穩(wěn)定性。上述成果和優(yōu)點(diǎn)為下一步進(jìn)行先進(jìn)納米材料儲(chǔ)能電極的設(shè)計(jì)和制備提供了可行有效的新穎思路。