新型纳米超分级结构Ni/Porous-Ni/V2O5高性能储锂电极

【引言】

电化学储能作为一种稳定高效易于运输的储能方式近年来已经深入人们的日常生活中。锂电池作为众多电化学储能方式的典型代表，在最近二十余年中，有关其的研究成果一直层出不穷。研究人员始终致力于有关如何提升锂电池电化学性能的基础与应用研究。如何设计并制备出具有高容量和能量密度、能量输出稳定以及可靠寿命的锂电池正极材料这一话题始终是研究焦点，尤其是近年来开始受到关注的具有纳米分级结构的免粘接剂的新型电极材料的设计和制备十分具有挑战性。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯A＆M大学（Texas A＆M University）机械工程系及材料科学与工程系Dr． Hong Liang教授（通讯作者）设计并成功制备出了一种具有创新性的三维纳米超分级结构的镍／孔阵镍／五氧化二钒纳米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）复合材料。当其直接用于锂电池正极材料时，均表现出优异的电化学充放电循环性能，并且这种新型的电极材料无需任何有机粘接剂，大大提高了电化学性能并优化了电池组装流程。最后，作者借助一系列分析手段进行了机理分析，结果表明这种新型电极材料的优异性能主要得益于三方面的协同效应一是新型镍孔阵列集流体，二是具有纳米结构的五氧化二钒纳米片及其组装而成的微米花朵结构，三是具有创新性的无粘接剂技术制备电极。这些优点集合而成优势有助于提高电极材料的电化学能量输出和循环稳定性。相关成果日前以题为“Superhierarchical Nickel–Vanadia Nanocomposites for Lithium Storage”发表在美国化学会旗下的国际知名期刊ACS Applied Energy Materials上，课题组博士生Yuan Yue为论文第一作者。

【图文导读】

图1 Ni／Porous－Ni／V2O5复合材料的XRD晶体学表征

图2 Ni／Porous－Ni／V2O5复合材料及其对照组Ni／V2O5的扫描电镜图像

（a）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率扫描电镜图像；

（b）退火前的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率扫描电镜图像；

（c）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5高倍率扫描电镜图像；

（d）退火前的Ni／V2O5对照组样品低倍率扫描电镜图像。

图3 Ni／Porous－Ni／V2O5复合材料及其对照组Ni／V2O5作为锂电池正极的电化学表征结果

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循环100次过程中的充放电性能曲线；

（b）Ni／V2O5在0．2 C低速循环100次过程中的充放电性能曲线；

（c）Ni／Porous－Ni／V2O5和对照组Ni／V2O5在0．2 C低速循环100次时的比容量和库伦效率变化的对比；

（d）Ni／Porous－Ni／V2O5和对照组Ni／V2O5在3．0 C高速循环500次时的比容量和库伦效率变化的对比。

图4 Ni／Porous－Ni／V2O5复合电极材料在100次充放电循环前后的形貌对比

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在充放电循环之前的扫描电镜图像；

（b）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循环100次之后的扫描电镜图像

【小结】

作者通过简单的电化学沉积和水热合成方式，成功制备出了一种具有创新性的三维纳米超分级结构的镍／孔阵镍／五氧化二钒纳米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）复合材料，通过表征和分析这种三维纳米超分级结构Ni／Porous－Ni／V2O5锂电池电极的性能优势，作者归纳出以下三点主要优点1）该电极采用了新型Ni／Porous－Ni集流体，该集流体具有垂直对齐的大量致密微米级多孔阵列结构，这种结构有利于提高集流体的比表面积并提升电子传输效率；（2）该电极的V2O5活性材料是一张新型的超薄二维纳米片结构，该结构可以大幅提升活性材料的表面积并且减小锂离子在其中的扩散距离；（3）更为重要的是，该电极采用了新颖的无粘接剂方式来组装活性材料和集流体，这种方式有效避免了传统电池电极组装过程中采用有机粘接剂带来的一系列弊病，使得活性材料能够以致密但无团聚的理想方式紧密分布在集流体表面，从而提升电化学传输性能和循环稳定性。上述成果和优点为下一步进行先进纳米材料储能电极的设计和制备提供了可行有效的新颖思路。