文 章 信 息
中国地质大学（武汉）董轶凡研究员Nano Energy：介孔氮掺杂碳MnO2多通道纳米管实现高性能的锂离子电池电极材
第一作者：袁勋龙
通讯作者：董轶凡*
单位：中国地质大学（武汉）
研 究 背 景
过渡金属氧化物具有高比容量和功率密度，是一种极有前途的阳极。作为过渡金属氧化物的子类，MnO2具有高理论容量，环保，低成本和丰富的资源。然而，MnO2的结构多变导致循环过程中体积膨胀较大，导致其作为LIBs阳极的循环能力较差。此外，该材料的低电导率会降低电化学活性，从而导致不佳的电化学性能。
文 章 简 介
基于此，来自中国地质大学（武汉）的董轶凡研究员团队在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Mesoporous nitrogen-doped carbon MnO2 multichannel nanotubes with high performance for Li-ion batteries”的研究文章。
通过设计多孔的N掺杂C修饰MnO2，提升了材料的整体电导率，并且抑制了Li+嵌入/脱嵌过程中材料的体积膨胀，也形成了多通道锂离子传输途径。Li+在固体中的扩散可以通过MnO2的层间间隙进入，也可以通过管壁的表面介孔进入，或者通过纳米管中空结构直接到达MnO2内部。使得Li+在固体中的扩散大大加快。
图1.（a）MnO2转化为MnO2@PNC的横断面图和（b）MnO2转化为MnO2@PNC的示意图；（c）MnO2和（d）MnO2@PNC的XRD谱图；（e）MnO2和（f）MnO2@PNC的N2吸附和解吸等温线；插图为MnO2和MnO2@PNC对应的孔径分布；（g）MnO2和MnO2@PNC的TGA曲线。
图2.（a）MnO2的低倍FESEM图、（b）高倍FESEM图、（c）TEM图、（d）HRTEM图（插图为相应的SAED图）；（e）MnO2原貌和（f）MnO2、（g）Mn、（h）O的EDS能谱图；（i）MnO2@PNC的低倍FESEM图、（j）高倍FESEM图、（k）TEM图，（i）HRTEM图（插图为对应的SAED图）；MnO2@PNC中（m）Mn、（n）O、（o）C、（p）N的EDS能谱图。
图3.（a）在1 mV s-1的扫描速率下，MnO2和MnO2@PNC的CV曲线；（b）MnO2和MnO2@PNC的EIS图；（c）MnO2和MnO2@PNC纳米管在5 A g-1电流密度下的放电比容量；（d）在5 A g-1电流密度下，0.01–3 V电压范围内，MnO2@PNC恒电流充放电曲线；（e）MnO2@PNC在5 A g-1、10 A g-1、20 A g-1、50 A g-1、100 A g-1不同电流密度下的比容量；（f）在5 A g-1、10 A g-1、20 A g-1、50 A g-1不同电流密度下的能量密度和功率密度；（g）在10 A g-1电流密度下，0.01–3 V电压范围内，MnO2@PNC恒电流充放电10000次的曲线；（h）MnO2@PNC在5 A g-1的电流密度下循环10000次的比容量和相应的库仑效率。
图4. 锂离子在MnO2@PNC中的三种超快传输形式；（b）MnO2@PNC的GITT曲线；（c）根据（b）的GITT曲线计算的锂离子扩散系数；（d）不同扫描速率下MnO2@PNC的CV曲线；（e）对数（i）与对数（v）在不同阴极/阳极峰值下的图；（f）电池在各种扫描速率下电容控制（蓝色）和扩散控制（紫色）容量的归一化贡献比；（g）MnO2@PNC在10.0 mV s-1扫描速率下的电容贡献，阴影区域为赝电容贡献。
图5. MnO2@PNC在（a）未循环，（b）1000次循环后和（c）10000次循环之后的高分辨率Mn 2p XPS光谱；（d）不同循环次数后MnO2@PNC电极的非原位XRD；（e）放大的XRD晶面衍射峰图；MnO2@PNC在（f）未循环，（g）1000次循环和（h）5000次循环（插图是相应的SAED图）之后的HRTEM图；（i）MnO2@PNC的原位生长过程。
本 文 要 点
1. 设计了多孔N掺杂C修饰MnO2纳米管，通过N掺杂C修饰提升了材料的整体电导率，并且抑制了Li+嵌入/脱嵌过程中材料的体积膨胀。
2. 设计的多孔纳米管具有大的比表面积、高的孔隙率及均匀的孔结构，形成了多通道Li+传输途径，具有超高的锂离子传输速率。
3. 以合成的纳米管作为工作电极，电池表现出优异的稳定性和接近100%的库伦效率。
文 章 链 接
Mesoporous nitrogen-doped carbon MnO2 multichannel nanotubes with high performance for Li-ion batteries
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107235
通 讯 作 者 简 介
董轶凡 研究员 博导
中国地质大学（武汉）材料与化学学院研究员，博士生导师。目前研究方向为纳米能源材料与器件，重点开展纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、电化学储能等系统性的基础研究工作，在储能材料与器件领域等取得了一系列的创新性研究成果。在Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Energy Environ. Sci.，Nano Energy，J. Power Sources等期刊上发表SCI收录论文40余篇，论文引用2300余次。申请专利17项，已授权8项。入选湖北省“楚天学子”计划以及中国地质大学（武汉）“青年拔尖人才”，Tungsten青年编委，材料研究学会 (MRS)，美国化学学会(ACS)会员。Nano Energy, RSC Adv., Ceram. Int., J. Mater. Chem. A, Nanotechnology, Mater. Today等国际期刊的审稿人。
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