哈工大尹鸽平、孔凡鹏和上海空间电源研究所解晶莹《Small》：表面Nb掺杂与结构设计共同提升Co3O4负极的储锂性能
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传统石墨材料作为锂离子负极使用时的各项指标已近乎达到理论极限，急需开发新一代的高比能负极来满足当代高速革新用电设备对电池各项指标的要求。过渡金属氧化物基（TMOs）负极具有高于石墨2倍以上的理论容量，有望成为未来的主流商用负极材料。然而，TMOs负极为半导体材料，倍率性能较差。此外，在锂化与脱锂过程会发生的严重体积变化，引起结构破碎与坍塌，导致电池的循环容量迅速衰减，不利于长效循环稳定性。因此，如何同时提升材料的电导率与结构稳定性是目前研究的重点。
【文章简介】
近日，来自哈尔滨工业大学的孔凡鹏、尹鸽平教授与上海空间电源研究所的解晶莹研究员合作，在国际知名期刊 Small 上发表题为“ Single-Atom Tailored Hierarchical Transition Metal Oxide Nanocages for Efficient Lithium Storage ”的研究论文。该论文通过调控Co基材料的组成对电化学性能的影响，并结合密度泛函理论以及有限元模拟计算探索了电化学反应途径和结构演变机制。通过将Nb原子均匀地掺杂进入Co 3 O 4 晶格，首次得到单原子Nb掺杂Co 3 O 4 纳米笼。所设计的 3DH-Co 3 O 4 @Nb 集成了结构与组成的优点，包括高锂离子 /电子扩散系数、 显著的赝电容效应、良好的内部晶格应力松弛。通过模拟三维Co 3 O 4 纳米笼在锂离子嵌入过程中的应力变化，可得出在嵌脱锂过程中产生的应力主要集中纳米笼介孔周围，内部以及表面的应力远小于实心的Co 3 O 4 纳米棒。因此，在三维结构的表面引入大量地介孔可有效降低转换型负极材料内部的应力积聚，是其保持优异循环稳定性的关键原因。因此， 3DH-Co 3 O 4 @Nb负极在5 A/g的高电流 密度下循环 1000次后， 仍可保持 ~740 mAh/g的可逆容量。理论模拟和实验分析都证实 了所预留的空间在缓冲充放电过程中体积变化而不使整个电极破裂方面起着关键作用，从而有助于在 3DH-Co 3 O 4 @Nb电极上形成持久的SEI 膜。在实际软包电池测试中， 3DH–Co 3 O 4 @Nb 负极在 200次循环后可提供约 615 mAh/ g的高容量释放，每个循环过程中的平均容量衰减仅为~ 0.059%。
图1 形貌与物相表征结果。（a）结构示意图，（b）TEM，（c）B ET ，（d）H R-STEM ，（e）E XAFS ，（f） XANES ，（g，h）小波转换图，（i）D OS 计算结果。
图2 电化学性能测试。（a）CV曲线，（b）0 .1 A/ g下的循环容量，（c）倍率性能，（d）倍率性能对比，（e）5 A/ g下进行1 000 循环的稳定性表现，（f）对循环后的 3DH-Co 3 O 4 @Nb 结构表征结果。
图 3 表面 SEI 测试。（a-c） 3D-Co 3 O 4 表面S EI 膜测试，（d-f） 3DH-Co 3 O 4 @Nb 表面S EI 膜表征，（g）在循环过程中表面S EI 膜演变机制。
图 4 动力学测试。（a-c） GITT 测试分析，（d）CV容量保持率，（e）峰值电流与扫速结果线型拟合结果，（d-g）赝电容计算结果。
图5 结构应力，离子扩散与表面吸附计算。（a-d）结构应力模拟，（e）表面离子吸附模型
图6 L iCoO 2 //3DH-Co 3 O 4 @Nb 全电池性能测试。（a）全电池结构图，（b） LiCoO 2 //3DH-Co 3 O 4 @Nb 纽扣电池循环性能，（c-e） LiCoO 2 //3DH-Co 3 O 4 @Nb 软包电池电化学性能表现。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202200367
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