目前动力电池的开发主要可以分为两个方向: 1) 高比能方向; 2) 快充方向, 虽然在目前的新能源汽车补贴政策下, 高比能电池成了各大动力电池厂商的主要研究方向. 但是在提高锂离子电池比能量的同时, 我们也需要不断提高锂离子电池的充电特性. 锂离子电池的充电能力主要受到负极动力学特性的影响, 传统的石墨负极动力学特性较差, 在快速充电时容易在负极表面造成金属Li的析出, 同时石墨的负极的理论比能量仅为372mAh/g, 因此很难满足高比能和快充电池的设计需求, 采用MOFs方法制备的过渡金属氧化物负极材料, 因为粒径较小, 并具有大量的微孔, 从而显著的提升了材料的倍率性能, 成为解决这一问题的最佳选择之一.
近日哈尔滨工业大学的GuangyuZhao利用电化学辅助MOFs方法在Ti纳米线基板上合成了Co3O4材料, 该电极表现出了极佳的倍率性能和循环性能, 在20A/g的超高倍率下, 该电极仍然能够发挥出300mAh/g的容量, 并且循环2000次没有发生显著的容量衰降, 在1A/g的电流密度下对于开发同时具有高比能和快充特性的锂离子电池具有重要的意义.
MOFs方法制备的薄膜材料一般都会存在与基体粘接性差的问题, 为了解决这一问题, GuangyuZhao采用带有垂直Ti纳米线结构的Ti箔作为基体, 然后将MOFs工艺的前驱体利用电化学方法沉积在上述的基体上高比能方向; 2) 快充方向, 虽然在目前的新能源汽车补贴政策下, 高比能电池成了各大动力电池厂商的主要研究方向. 但是在提高锂离子电池比能量的同时, 我们也需要不断提高锂离子电池的充电特性. 锂离子电池的充电能力主要受到负极动力学特性的影响, 传统的石墨负极动力学特性较差, 在快速充电时容易在负极表面造成金属Li的析出, 同时石墨的负极的理论比能量仅为372mAh/g, 因此很难满足高比能和快充电池的设计需求, 采用MOFs方法制备的过渡金属氧化物负极材料, 因为粒径较小, 并具有大量的微孔, 从而显著的提升了材料的倍率性能, 成为解决这一问题的最佳选择之一.
近日哈尔滨工业大学的GuangyuZhao利用电化学辅助MOFs方法在Ti纳米线基板上合成了Co3O4材料, 该电极表现出了极佳的倍率性能和循环性能, 在20A/g的超高倍率下, 该电极仍然能够发挥出300mAh/g的容量, 并且循环2000次没有发生显著的容量衰降, 在1A/g的电流密度下对于开发同时具有高比能和快充特性的锂离子电池具有重要的意义.
MOFs方法制备的薄膜材料一般都会存在与基体粘接性差的问题, 为了解决这一问题, GuangyuZhao采用带有垂直Ti纳米线结构的Ti箔作为基体, 然后将MOFs工艺的前驱体利用电化学方法沉积在上述的基体上 (合成过程如上图所示) , 这样不但增强了基体与前驱体之间的粘结力, 还保证了良好的电子导电性, 因此大大提高了材料的倍率性能.
上述过程制备的Co3O4/Ti电极的形貌如下图所示, 在-2.0V下沉积600s后, 我们可以看到在Ti纳米线表面覆盖了一层纳米颗粒 (如下图c所示) , 经过XRD晶体结构分析这些纳米颗粒为金属Co, 然后通过MOFs工艺将沸石咪唑类金属有机骨架材料ZIF67沉积在Co/Ti复合结构上, 此时我们能够在Ti纳米线的顶端观察到一些多面体结构的MOFs, 同时我们还注意到Ti纳米线的表面此时又变的光滑, 说明在沉积ZIF67的过程中Co都已经被消耗掉了 (如下图d所示) . 随后对上述的前驱体进行热解, 从下图的g, h和f我们能够看到热解产生的Co3O4仍然保持了前驱体的形貌, 均匀的分散在Ti纳米线上, 并被Ti纳米线牢牢的固定住, 这种自支撑结构的特点决定了其不需要粘结剂和导电剂, 良好的分散性能显著的改善了材料的倍率性能.
在接下来的电化学性能测试中, Co3O4/Ti结构电极不出所料的发挥出了优异的倍率性能和循环稳定性. 从下图的倍率性能测试结果我们可以看到, 采用上述工艺制备的Co3O4/Ti电极 (下图a) 在1A/g的电流密度下可以发挥出700mAh/g的容量, 即便将电流密度提高到惊人的50A/g, 该材料仍然能够发挥出180mAh/g的比容量, 而反观使用同样的MOFs工艺在光滑Ti薄基体上沉积的Co3O4材料倍率性则非常差 (下图b) , 在电流密度达到5A/g以上后, 就几乎无法发挥出容量来了, Guangyu Zhao认为这可能是由于传统MOFs工艺制备的Co-MOFs在Ti箔基体上分散性和粘结性较差造成的.
下图为采用Ti纳米线基体制备的Co3O4/Ti电极的循环性能, 从图中我们可以看到在20A/g的充放电倍率下循环2000次, Co3O4/Ti电极几乎没有发生容量衰降, 这主要得益于Ti纳米线结构不但将Co3O4颗粒牢牢的固定住, 还提供了良好的电子导电性, 此外Co3O4良好的分散性也极大的减少了Li+的扩散阻力, 提升了电极的循环性能.
Guangyu Zhao开发的制备工艺, 利用Ti纳米线基体很好的解决了MOFs工艺制备的薄膜与基体之间粘接性差, 薄膜活性物质分散不均匀导致的循环性能和倍率性能差的问题, 通过Ti纳米线将Co3O4牢牢的固定在基体上, 同时还提供了高效的电子传递通道, 此外Co3O4颗粒在基体上良好的分散性减少了Li+的扩散阻力, 这都帮助Co3O4/Ti材料获得了惊人的倍率性能, 在1A/g的电流密度下容量可达700mAh/g, 在50A/g的电流密度下, 仍然可以发挥出180mAh/g的容量, 更为重要是该材料在20A/g的电流密度下充放电循环2000次, 容量几乎没有发生损失, 这让同时具有高比能可快充特性的锂离子电池成为了可能.
