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首次應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料的Na-Mn-O納米晶
2017-03-02
隨著對(duì)混合電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備以及可再生能源大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求的不斷增長，開發(fā)出一種能大大超過現(xiàn)有的鋰離子電池（LIBs）技術(shù)的高效電極材料成為了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要研發(fā)出一種具有高能量密度，高功率密度和超長循環(huán)壽命的高性能負(fù)極材料。近年來，一些新型負(fù)極材料，如硅/錫基合金、金屬氧化物、金屬氫化物、金屬硫化物和金屬磷化物相關(guān)的合金化材料被研究者們廣泛報(bào)導(dǎo)。雖然這些新型負(fù)極材料的比容量得到提高，但其倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性仍需要進(jìn)一步改善。
錳氧化物由于具有低成本，適用性強(qiáng)，無毒性和安全性高等獨(dú)特性質(zhì)，被認(rèn)為是應(yīng)用于可再充電能量存儲(chǔ)裝置最具有潛力的電極材料之一。其中，水鈉錳礦是一種具有如Na+、K+和Li+等陽離子的多晶型錳氧化物，由于其具有多種氧化態(tài)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)而富集氧化還原反應(yīng)，引起了學(xué)者們強(qiáng)烈的研究興趣。值得關(guān)注的是，位于Mn-O原子層間的不同量的水分子可與陽離子共存，形成了MxMnyO2?nH2O（M = Na+、K+和Li+）型的多樣性化合物，有利于在制備過程中對(duì)晶胞參數(shù)進(jìn)行有效的調(diào)控。然而，將這種含結(jié)晶水的材料應(yīng)用于鋰離子電池電極的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。
近期，武漢理工大學(xué)木士春研究課題組設(shè)計(jì)了一種新型的Na-Mn-O晶體材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特性和電化學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。該材料起源于MnO2納米棒，并經(jīng)歷兩次物相轉(zhuǎn)變而成。與以往應(yīng)用于電池電極的錳系氧化物材料不同的是，合成出的材料含有12.5%的結(jié)晶水。令人驚奇的是，該材料作為負(fù)極組裝成紐扣電池后，表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的電化學(xué)性能：在連續(xù)的循環(huán)與倍率測試過程中最高可達(dá)2147 mAh/g的超高比容量（電流密度為0.1 A/g）；而在4 A/g大電流密度下，經(jīng)過2000次循環(huán)后仍保持547 mAh/g的容量。XRD分析進(jìn)一步證實(shí)了該晶體材料在鋰離子嵌入/脫出過程中未發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，其晶格參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明晶格體積變化<2%，在電化學(xué)條件下展現(xiàn)了出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，對(duì)該樣品進(jìn)行脫水處理后，其電化學(xué)性能減弱，揭示了結(jié)晶水對(duì)提高該材料的電化學(xué)性能也有著重要的促進(jìn)作用。這是首次將含結(jié)晶水材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極。
除了應(yīng)用于儲(chǔ)鋰，該水合Na-Mn-O納米材料還在超級(jí)電容器、催化劑以及其它電池在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景。武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)課題組也參與了部分研究工作。相關(guān)論文已在線發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials, 2016, DOI: 10.1002/aenm.201602092)上。
該新聞報(bào)道出處：http://www.materialsviewschina.com/2017/03/24366/