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机械工程学院刘文博副教授团队在Advanced Functional Materials上发表封面文章

时间:2021-09-24  来源:机械工程学院   作者: 

近日,四川大学机械工程学院刘文博副教授团队在高容量、长寿命锂离子电池电极结构创新设计与性能提升方面取得重要进展,相关研究成果以“In Situ Synthesis of the Peapod-Like Cu-SnO2@Copper Foam as Anode with Excellent Cycle Stability and High Area Specific Capacity”为题发表于材料科学领域国际权威期刊Advanced Functional Materials,并被选做封面文章。

近年来,新能源汽车产业的快速发展极大拓展了锂离子电池的应用市场。与传统商用石墨负极(372 mAh g-1)相比,未来工业急需更高容量和更优循环稳定性的锂电池负极材料。氧化锡与Li反应能够生成Li2Sn5、LiSn、Li22Sn5等多种合金,其中最高理论比容量可达782 mAh g-1,是商用石墨负极的两倍以上。然而,将氧化锡直接用作锂离子电池负极材料时,锂化过程中会产生超过200%的体积膨胀,由此带来的巨大机械应力将严重破坏电极结构完整性,导致电池容量的快速衰减和循环稳定性的明显降低,极大限制了其潜在应用。大量研究表明,氧化锡的纳米化和中空结构设计是解决上述问题的一个有效途径。因此,人工构建氧化锡纳米中空结构成为近年来的研究热点。但目前大都是基于物理限域原理将氧化锡封装到“蛋壳”等中空结构之中,即电化学活性物质在壳内,嵌锂时由刚性外壳约束,但该结构易造成活性物质空间受限,导致中空电极面容量偏低,限制了其商业价值的进一步发挥。如何在有效提升中空氧化锡面容量的同时增强其循环稳定性目前仍是一项巨大挑战。

为解决上述问题,刘文博副教授团队受材料科学经典扩散现象——柯肯达尔效应启发,巧妙设计并原位构建出一种新颖的类豆荚状铜-氧化锡@泡沫铜一体化电极(Peapod-Like Cu-SnO2@CF),其中中空氧化锡和铜纳米颗粒分别作为上述类豆荚结构中的“豆荚”和“豌豆”。与文献报道的其他中空结构氧化锡电极相比,这种独特的无粘结剂型Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极作为锂离子电池阳极可展现出更为出色的储锂性能,包括超高的首次可逆容量,良好的循环稳定性以及优异的倍率性能。这主要归因于以下四个方面:a) “豆荚”结构内的充足空间能够有效缓冲活性物质嵌锂过程中的巨大体积膨胀;b) 类豆荚状铜-氧化锡由于具有更多的电化学活性中心和更小的空间约束,可进一步提高储锂能力;c) 像“豌豆”一样弥散分布在中空氧化锡中的铜纳米颗粒形成相互连通的内部导电网络,促进了电极内部的电子迁移;d) 在具有良好传质通道的三维泡沫铜上原位生长类豆荚状铜-氧化锡可实现活性材料与载体之间的牢固衔接,有助于加速离子传输并增强结构稳定性。此外,与采用传统“混浆-涂布”工艺制造的同类电极相比,不仅简化了制造工艺和技术、降低了成本,而且提高了集流体与电极材料之间的结合强度,进一步提升电池性能。这项工作对基于柯肯达尔效应原位构筑具有新型中空结构的高性能锂离子电池阳极具有重要启示。

Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极的制备流程图

Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极制备过程的结构表征

Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极制备过程的物相分析

Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极的高分辨结构表征与成分分布

Peapod-Like Cu-SnO2@CF一体化电极的电化学性能

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港特别行政区研究资助局(RGC)基金、四川省国际科技创新合作等项目的资助。

原文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202101999

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