目前動力電池的開發主要可以分為兩個方向: 1) 高比能方向; 2) 快充方向, 雖然在目前的新能源汽車補貼政策下, 高比能電池成了各大動力電池廠商的主要研究方向. 但是在提高鋰離子電池比能量的同時, 我們也需要不斷提高鋰離子電池的充電特性. 鋰離子電池的充電能力主要受到負極動力學特性的影響, 傳統的石墨負極動力學特性較差, 在快速充電時容易在負極表面造成金屬Li的析出, 同時石墨的負極的理論比能量僅為372mAh/g, 因此很難滿足高比能和快充電池的設計需求, 採用MOFs方法製備的過渡金屬氧化物負極材料, 因為粒徑較小, 並具有大量的微孔, 從而顯著的提升了材料的倍率性能, 成為解決這一問題的最佳選擇之一.
近日哈爾濱工業大學的GuangyuZhao利用電化學輔助MOFs方法在Ti納米線基板上合成了Co3O4材料, 該電極表現出了極佳的倍率性能和迴圈性能, 在20A/g的超高倍率下, 該電極仍然能夠發揮出300mAh/g的容量, 並且迴圈2000次沒有發生顯著的容量衰降, 在1A/g的電流密度下對於開發同時具有高比能和快充特性的鋰離子電池具有重要的意義.
MOFs方法製備的薄膜材料一般都會存在與基體粘接性差的問題, 為了解決這一問題, GuangyuZhao採用帶有垂直Ti納米線結構的Ti箔作為基體, 然後將MOFs工藝的前驅體利用電化學方法沉積在上述的基體上高比能方向; 2) 快充方向, 雖然在目前的新能源汽車補貼政策下, 高比能電池成了各大動力電池廠商的主要研究方向. 但是在提高鋰離子電池比能量的同時, 我們也需要不斷提高鋰離子電池的充電特性. 鋰離子電池的充電能力主要受到負極動力學特性的影響, 傳統的石墨負極動力學特性較差, 在快速充電時容易在負極表面造成金屬Li的析出, 同時石墨的負極的理論比能量僅為372mAh/g, 因此很難滿足高比能和快充電池的設計需求, 採用MOFs方法製備的過渡金屬氧化物負極材料, 因為粒徑較小, 並具有大量的微孔, 從而顯著的提升了材料的倍率性能, 成為解決這一問題的最佳選擇之一.
近日哈爾濱工業大學的GuangyuZhao利用電化學輔助MOFs方法在Ti納米線基板上合成了Co3O4材料, 該電極表現出了極佳的倍率性能和迴圈性能, 在20A/g的超高倍率下, 該電極仍然能夠發揮出300mAh/g的容量, 並且迴圈2000次沒有發生顯著的容量衰降, 在1A/g的電流密度下對於開發同時具有高比能和快充特性的鋰離子電池具有重要的意義.
MOFs方法製備的薄膜材料一般都會存在與基體粘接性差的問題, 為了解決這一問題, GuangyuZhao採用帶有垂直Ti納米線結構的Ti箔作為基體, 然後將MOFs工藝的前驅體利用電化學方法沉積在上述的基體上 (合成過程如上圖所示) , 這樣不但增強了基體與前驅體之間的粘結力, 還保證了良好的電子導電性, 因此大大提高了材料的倍率性能.
上述過程製備的Co3O4/Ti電極的形貌如下圖所示, 在-2.0V下沉積600s後, 我們可以看到在Ti納米線表面覆蓋了一層納米顆粒 (如下圖c所示) , 經過XRD晶體結構分析這些納米顆粒為金屬Co, 然後通過MOFs工藝將沸石咪唑類金屬有機骨架材料ZIF67沉積在Co/Ti複合結構上, 此時我們能夠在Ti納米線的頂端觀察到一些多面體結構的MOFs, 同時我們還注意到Ti納米線的表面此時又變的光滑, 說明在沉積ZIF67的過程中Co都已經被消耗掉了 (如下圖d所示) . 隨後對上述的前驅體進行熱解, 從下圖的g, h和f我們能夠看到熱解產生的Co3O4仍然保持了前驅體的形貌, 均勻的分散在Ti納米線上, 並被Ti納米線牢牢的固定住, 這種自支撐結構的特點決定了其不需要粘結劑和導電劑, 良好的分散性能顯著的改善了材料的倍率性能.
在接下來的電化學性能測試中, Co3O4/Ti結構電極不出所料的發揮出了優異的倍率性能和迴圈穩定性. 從下圖的倍率性能測試結果我們可以看到, 採用上述工藝製備的Co3O4/Ti電極 (下圖a) 在1A/g的電流密度下可以發揮出700mAh/g的容量, 即便將電流密度提高到驚人的50A/g, 該材料仍然能夠發揮出180mAh/g的比容量, 而反觀使用同樣的MOFs工藝在光滑Ti薄基體上沉積的Co3O4材料倍率性則非常差 (下圖b) , 在電流密度達到5A/g以上後, 就幾乎無法發揮出容量來了, Guangyu Zhao認為這可能是由於傳統MOFs工藝製備的Co-MOFs在Ti箔基體上分散性和粘結性較差造成的.
下圖為採用Ti納米線基體製備的Co3O4/Ti電極的迴圈性能, 從圖中我們可以看到在20A/g的充放電倍率下迴圈2000次, Co3O4/Ti電極幾乎沒有發生容量衰降, 這主要得益於Ti納米線結構不但將Co3O4顆粒牢牢的固定住, 還提供了良好的電子導電性, 此外Co3O4良好的分散性也極大的減少了Li+的擴散阻力, 提升了電極的迴圈性能.
Guangyu Zhao開發的製備工藝, 利用Ti納米線基體很好的解決了MOFs工藝製備的薄膜與基體之間粘接性差, 薄膜活性物質分散不均勻導致的迴圈性能和倍率性能差的問題, 通過Ti納米線將Co3O4牢牢的固定在基體上, 同時還提供了高效的電子傳遞通道, 此外Co3O4顆粒在基體上良好的分散性減少了Li+的擴散阻力, 這都幫助Co3O4/Ti材料獲得了驚人的倍率性能, 在1A/g的電流密度下容量可達700mAh/g, 在50A/g的電流密度下, 仍然可以發揮出180mAh/g的容量, 更為重要是該材料在20A/g的電流密度下充放電迴圈2000次, 容量幾乎沒有發生損失, 這讓同時具有高比能可快充特性的鋰離子電池成為了可能.
