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麦立强教授课题组一维α-Fe2O3纳米线研究工作发表在先进能源材料杂志上

更新日期:2017-02-16

    为了满足电动汽车对高能量密度和长寿命的锂离子电池的迫切需求,研究人员致力于开发新型锂离子电池负极材料,来取代目前商业化的石墨(容量仅仅只有372 mAh g-1)。α-Fe2O3作为一种价格低廉、储量丰富、环境友好的材料,与金属锂组装半电池时,通过插层转化方式储锂,其理论比容量(~ 1007 mA h g-1),三倍于目前广泛使用的石墨负极。然而嵌锂/脱锂过程中体积膨胀率较大。充放电过程中反复的体积膨胀和收缩导致1)材料粉化严重并从集流体上脱落,进入电解液中无法贡献容量,2)破裂的电极表面会与电解液表面直接接触,反复形成新的绝缘的固态电解质膜(SEI layer)导致电极导电性下降。最终导致电极材料容量急剧衰减。

      针对这一问题,武汉理工大学麦立强教授课题组(http://mai.group.whut.edu.cn)首先通过巧妙设计Fe2+MnOOH的氧化还原反应,利用MnOOH纳米线作为模板,在常温下仅仅通过溶液搅拌构筑了一维Fe(OH)3纳米管,并在空气中退火,利用热释应力作用调控得到一维梯形α-Fe2O3纳米材料。实验结果表明, 800条件下合成没有保护壳的α-Fe2O3表现出非常良好的电化学性能。此时得到的α-Fe2O3并没有明显的晶界,所以材料内部应力和缺陷最小,表现出非常好的结构完整性和较低的电子转移电阻。与此同时,电极界面形成了薄而稳定的固态电解质膜(SEI膜)。经过热处理后,晶格应力明显被释放,同时缺陷密度也明显降低,这可促进电子转移并提高颗粒间的接触以及电解液/电极界面的接触,电极能够保持自身体积而不被机械应力损坏,以抑制循环过程中的巨大的体积膨胀和收缩。在0.1 A g-1倍率下循环50次后,可逆性能高达1200 mAh g-15 A g-1的大倍率条件下循环1200次后,每圈的循环损失仅为0.056%。此工作从根本上探究了金属氧化物的粉化原因,并独辟蹊径地利用热诱导应变弛豫解决了材料充放电过程中体积变化过大的问题,为受此问题困扰的研究者提供了新的借鉴。

      相关研究工作在线发表在Advanced Energy Materials DOI: 10.1002/aenm.201601582)上。