中科院合肥物质科学研究院CEJ：交联NiCo2N纳米片构建中空壳层结构实现高性能锂离子电池负极材料- 大数跨境

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中科院合肥物质科学研究院CEJ：交联NiCo2N纳米片构建中空壳层结构实现高性能锂离子电池负极材料

科学材料站

2021-06-15

导读：该文章报导了一种利用交联NiCo2N纳米片构建中空壳层结构实现高性能锂离子电池负极材料的方法，探讨了NiCo2N材料在作为锂离子电池负极材料时具有优异性能的原因。

文章信息

交联NiCo2N纳米片构建中空壳层结构实现高性能锂离子电池负极材料

第一作者：王佩瑶

通讯作者：赵邦传*，白金*

单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所

研究背景

随着锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车等设备中的广泛应用，锂离子电池技术和性能得到了长足的发展，但实际使用时锂离子电池却存在潜在的安全风险和成本问题。为提高电池性能、改善电池的安全性，研发具有高比容量、优异倍率能力、长循环寿命和高安全性的电极材料是该领域当前的一项主要挑战。

目前商用主流锂离子电池负极材料石墨的理论比容量相对较低，工作电压过低而存在潜在安全风险。因此，研发可替代石墨的新型负极材料具有重要意义。这其中，过渡金属氮化物材料具有较高的电导率和较低的氧化还原电位，被认为是极具应用前景的新型负极材料。然而，这类材料在循环过程中体积变化较大，导致其循环稳定性较差，阻碍了其进一步发展。

近年来，人们采取多种策略来缓解这类具有潜在应用价值材料的体积膨胀问题。其中，利用各种碳质材料对其进行复合，对其进行碳包覆处理及将过渡金属氮化物材料沉积在不同导电衬底上，形成自支撑电极等手段最有效。

虽然这些方法对缓解材料膨胀、改善材料循环稳定性有很大帮助，但这些材料改性手段通常过程较为复杂，使用的导电复合材料或衬底会增加电池的相对重量，降低电池的能量密度。因此，为将来真正走向实用，也为了理解使该类材料的反应机理，需要通过绿色、简单、高效的途径来制备高性能的纯相过渡金属氮化物负极材料。

文章简介

基于此，来自中科院合肥物质科学研究院的赵邦传研究员课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“NiCo2N hollow sphere with interconnected nanosheets shell: a potential anode material for high performance lithium-ion batteries”的研究文章。

文章报导了一种利用交联NiCo2N纳米片构建中空壳层结构实现高性能锂离子电池负极材料的方法，探讨了NiCo2N材料在作为锂离子电池负极材料时具有优异性能的原因。

图文摘要

本文要点

要点一：利用交联纳米片构建中空球结构材料

该工作通过溶剂热结合后续氨气退火处理的简单方法，合成了不含额外碳质材料的纯相NiCo2N材料。该合成方法流程简单，不需要使用模板，不额外引入碳源，仅使用柠檬酸作为络合剂，极大降低了材料的生产成本，提高了材料的能量密度，具有简单、环保，易于操作并能进行大规模生产的的优点；

由SEM图和TEM图可以看出，NiCo2N材料具有中空球结构，中空球由相互交联的纳米片组成。中空微观结构有利于缓解材料在电池循环过程中的体积膨胀问题，提高材料的循环稳定性；球外部相互交联的纳米片结构可大大增加了材料的比表面积，有利于活性材料与电解质的充分接触，也为电化学反应提供了大量的活性位点

同时，这种由大量纳米片构成的中空球结构也可加速锂离子和电子的扩散，有利于材料倍率性能的提高。

图1. NiCo2N材料的合成流程图及其SEM，TEM，HRTEM，SAED，EDX图。

要点二：新颖结构助力材料优异电化学性能

中空球结构NiCo2N材料在作为锂离子电池负极材料时表现出优异的电化学性能，在1 A g-1的电流密度下循环400圈表现出1244.5 mAh g-1的高比容量值，在5 A g-1的大电流密度下仍保持529.4 mAh g-1的比容量。

图2. NiCo2N电极的电化学性能研究。

要点三：非原为电化学表征澄清电化学反应机理

通过对NiCo2N电极的非原位XRD，HRTEM和SAED测试分析发现，该材料电化学反应过程中主要发生的是转化反应，充放电过程中有Li3N产生。

非原位EIS结果表明，Li3N的产生有利于提高电极材料的电导率，并且在首次充放电过程中有SEI膜的形成。对不同扫速CV曲线拟合发现，材料的表面赝电容在材料整体比容量提高上占有较大贡献。

图3. 非原位XRD，HRTEM，SAED和EIS表征。

图4. NiCo2N电极在不同扫速下的CV图和赝电容贡献分析；NiCo2N电极在锂离子电池中锂离子的电化学储存机理示意图。

文章链接

NiCo2N hollow sphere with interconnected nanosheets shell: a potential anode material for high performance lithium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130607

通讯作者介绍

赵邦传，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员，博士生导师。

主要研究方向为新型能源材料设计与制备，包括氧化物热电材料、高比能离子电池电极材料、新型超级电容器电极材料等。迄今已在Advanced Functional Materials, Small, Journal of Power Sources, Chemical Engineering Journal, Physical Review B，Applied Physics Letters等学术期刊上以第一或通讯作者身份发表论文近60篇，主持国家自然科学基金面上项目、大科学装置联合基金、科技部国家重点研发计划项目子课题及中科院和安徽省的多个项目。

白金，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所博士后。

主要研究方向为金属离子电池电极材料的设计及性能调控，包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等关键电极材料的设计制备。目前已在Small, Journal of Power Sources, Chemical Engineering Journal, Nanoscale等学术期刊上以第一或通讯作者发表多篇学术论文。主持中科院院长基金青年“火花”项目，曾获得中国科学技术大学优秀毕业生等荣誉奖项。