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学术进展

我院多元过渡金属氧化物研究取得系列进展

kxyj    April 20, 2014, 4:43 p.m.

       近日,我院熊胜林教授课题组,在多元过渡金属氧化物的研究中取得新进展,相关研究成果以“Unusual Formation of ZnCo2O4 3D Hierarchical  Twin Micrspheres as a High-Rate and Ultralong-Life Lithium-Ion Battery Anode Material” 为题在线发表在《先进功能材料》 (Adv. Funct. Mater. 2014,24,early view.),第一作者是博士生柏静。

      近年来,虽然锂离子电池已经在小型的移动通讯工具中得到了广泛的应用,但是由于其负极材料(为石墨基材料)的理论比容量较小(372 mAh g−1),已无法满足日益发展的高储能电源的需求。因此,开发高比容量、长循环寿命和价格经济的新材料替代石墨材料,从而实现锂离子电池性能的提高以满足日益增长的市场需求,已经成为科学家研究的重点。过渡金属氧化物具有较高的理论比容量(800-1200 mAh g−1),被认为是石墨材料的理想替代材料之一。

      目前,过渡金属氧化物多数采用共沉淀制得碳酸盐-煅烧的方法,但只能适用于溶度积常数Ksp相差不大的过渡金属离子,而且该方法制备的目标材料的尺寸多在微米级别,因而对材料电化学性能的提升具有一定局限性。但对高比表面积的纳米材料来说,一方面它会增加电极材料与电解液的副反应,使得材料的稳定性变差,材料的晶体结构容易坍塌;另一方面,纳米尺度材料振实密度较低,导致体积能量密度较低,易团聚,电极加工困难等。微纳复合结构可以在规避微米和纳米材料各自缺点的同时,集合两者的优点,兼具振实密度高和扩散路径短的特点,达到提高电极材料综合性能的目的。鉴于此,该课题组以多元醇为溶剂,选择性控制合成了ZnCo2O4介孔孪生球和立方块微纳结构;同时系统研究了前驱物孪生球的形成过程,根据不同时间形貌的演化,提出了“多步分离-原位溶解重结晶”的晶体生长机制。作为锂离子电池负极材料,该材料展现出了优越的倍率性能和循环性能。正如本文审稿人所说,作者提出并发现了一个有趣而新颖的形成机理,而且目标产物显示了优异的电化学性能。如ZnCo2O4孪生球在10 A g−1 的电流密度下其容量为790 mAh g−1,在长循环测试中,5 A g−1 的电流密度下循环2000圈,其可逆容量可以保持在550 mAh g−1,显示了潜在的应用前景。

      此外,在该课题组结合溶剂热/回流法在材料结构控制方面的优势,以“前驱物模板合成”的原位自牺牲模板的路线合成了Co3O4/rGO/CNTs、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、MnCo2O4、CoMn2O4、Mn1.5Co1.5O4、NiCo2O4、等多种结晶性好、电化学性能优异的二元/三元过渡金属氧化物分级微纳结构。部分研究成果发表在(Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2560-2566.)、Chem. Eur. J.(2013,19, 11310-11319.)、Nano Energy(2013, 2, 1249-1260.)、Nanoscale (2013, 5, 2045-2054.; 2014, 6, 3268-3273.),J. Mater. Chem. (A) (2012, 22, 23254-23259/14276-14283.; 2013, 1, 10985-10990/15292-15299.),ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 981-988.; 2014, 6, 24-30.)等刊物上。该课题组相关工作发表后,获得了研究者的关注和评价,如单分散的NiCo2O4介孔微球在ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 981-988.)发表后,已被引用近30次,并入选高引用次数论文(ISI Highly Cited Papers)。

      上述系列研究得到了得到国家科技部973计划、国家自然科学基金、山东省杰出青年基金/面上基金和山大自主基金等项目资助。

                                                                                                                                                                                                                                      (文: 徐化云)

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