江苏大学|沈小平教授CEJ最新工作：MOFs衍生法制备Fe2WO6微八面体作为超高容量锂离子电池负极材料- 大数跨境

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江苏大学|沈小平教授CEJ最新工作：MOFs衍生法制备Fe2WO6微八面体作为超高容量锂离子电池负极材料

科学材料站

2020-11-02

导读：该工作实现了具有氧空位的高体积容量钨基金属氧化物的简便制备，分级多孔结构能有效缓冲电极材料在锂化过程中的体积膨胀，氧空位的引入不仅能增加材料的导电性还提供了额外的锂储存位点。

文章信息

新颖的Fe2WO6微八面体作为超高储锂容量负极材料

第一作者：徐克强博士

通讯作者：沈小平*

单位：江苏大学

研究背景

具有高体积容量的电极材料是锂离子电池在电动汽车和小型电子设备中发展和应用的关键。在潜在的锂离子电池负极材料中，过渡金属氧化物具有理论容量高、安全性好和储量大等优点，但由于其较低的离子和电子电导率以及较大的体积膨胀限制了实际应用。尽管通过纳米工程和结构工程设计能在一定程度的改善过渡金属氧化物的容量释放和循环寿命，但是较大的比表面积促进了与电解液的副反应，导致较低的初始库伦效率。

此外，中空结构设计也降低了材料的压实密度，最终导致较低的体积能量密度。钨基金属氧化物一般具有较高的密度和较优异的导电性，是非常有吸引力的下一代高体积容量电极材料。

本论文通过煅烧钨基MOFs实现了具有分级多孔结构和氧空位的单分散Fe2WO6微八面体的简便制备，研究了材料的储锂性能及其在循环过程中容量演变的内在机制。本文为制备高体积容量电极材料提供了新的思路，有助于促进高体积容量锂离子电池的开发和应用。

文章简介

近日，江苏大学化学化工学院沈小平教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Highly monodispersed Fe2WO6 micro-octahedrons with hierarchical porous structure and oxygen vacancies for lithium storage”的研究文章。

该工作实现了具有氧空位的高体积容量钨基金属氧化物的简便制备，分级多孔结构能有效缓冲电极材料在锂化过程中的体积膨胀，氧空位的引入不仅能增加材料的导电性还提供了额外的锂储存位点。

作为锂离子电池负极材料时具有优异的储锂性能。在0.2A/g下循环150圈后对应的体积比容量为4785mAh/cm3, 是目前已报道材料中最高的。此外研究还发现材料的相变、结构细化以及增强的聚合物凝胶层共同导致了材料在循环过程中的容量演变。

图1. Fe2WO6与最近报道的高体积容量电极材料的体积容量比较图

本文要点

要点一：单分散Fe2WO6微八面体的简便制备

通过简单的Fe2+和[W(CN)8]4-自组装，在表面活性剂辅助下制备了MOFs前驱体Fe2[W(CN)8]·xH2O，再经热处理得到了具有分级多孔结构和氧空位的单分散Fe2WO6微八面体。

图2. Fe2WO6微八面体的制备过程示意图。

要点二：目前已报道材料中具有最高的体积储锂容量

分级多孔结构能有效缓冲电极材料在锂化过程中的体积膨胀，氧空位的引入不仅能增加材料的导电性还提供了额外的锂储存位点，此外重元素钨的引入使Fe2WO6微八面体的压实密度达2.9 g/cm3。该材料在0.2 A/g循环150圈后容量高达1650 mAh/g，对应的体积比容量为4785mAh/cm3, 是目前已报道材料中最高的。

要点三：揭示了电极材料在循环过程中的容量演变机制

金属氧化物电极材料在循环过程中容量升高现象非常普遍，但是某些材料在初始的循环中容量先下降，在随后的循环中逐渐上升直至达到稳定。为了揭示循环过程中的容量演变机制，我们通过dQ/dV和XPS分析发现电极材料的相变、结构细化以及增强的聚合物凝胶层共同导致了循环过程中容量先降后升的现象。

图3. Fe2WO6电极在循环过程中的可能工作机制。

文章链接

Highly monodispersed Fe2WO6 micro-octahedrons with hierarchical porous structure and oxygen vacancies for lithium storage

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127504

通讯作者介绍

沈小平江苏大学化工学院教授，博导。

2005年南京大学无机化学专业博士研究生毕业，获理学博士学位；1992年苏州大学物理化学专业研究生毕业，获理学硕士学位。1997-1998年南京大学配位化学国家重点实验室高级访问学者，2008-2009年澳大利亚University of Wollongong访问学者。主要从事新型功能纳米材料和分子基磁性材料的研究工作，已主持和参与国家自然科学基金项目9项、省部级科研项目5项、以及国家和省级重点实验室开放课题多项。已在Chemical Engineering Journal, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Applied Catalysis B-Environmental, Carbon等国际SCI源期刊发表学术论文260余篇，论文被SCI源期刊引用近万次，十多篇论文入选ESI高被引论文，获授权国家发明专利20余项。

主要研究方向为先进能源与环境材料：主要研究各种氧化物、硫化物、石墨烯基纳米复合物、配位聚合物等纳米材料的控制合成和组装，研究材料在锂离子电池、超级电容器、电催化、光催化等方面的应用。