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首次應用于鋰離子電池負極材料的Na-Mn-O納米晶
2017-03-02
隨著對混合電動汽車、便攜式電子設備以及可再生能源大規模存儲系統的需求的不斷增長，開發出一種能大大超過現有的鋰離子電池（LIBs）技術的高效電極材料成為了一個巨大的挑戰。因此，迫切需要研發出一種具有高能量密度，高功率密度和超長循環壽命的高性能負極材料。近年來，一些新型負極材料，如硅/錫基合金、金屬氧化物、金屬氫化物、金屬硫化物和金屬磷化物相關的合金化材料被研究者們廣泛報導。雖然這些新型負極材料的比容量得到提高，但其倍率性能及循環穩定性仍需要進一步改善。
錳氧化物由于具有低成本，適用性強，無毒性和安全性高等獨特性質，被認為是應用于可再充電能量存儲裝置最具有潛力的電極材料之一。其中，水鈉錳礦是一種具有如Na+、K+和Li+等陽離子的多晶型錳氧化物，由于其具有多種氧化態的獨特結構而富集氧化還原反應，引起了學者們強烈的研究興趣。值得關注的是，位于Mn-O原子層間的不同量的水分子可與陽離子共存，形成了MxMnyO2?nH2O（M = Na+、K+和Li+）型的多樣性化合物，有利于在制備過程中對晶胞參數進行有效的調控。然而，將這種含結晶水的材料應用于鋰離子電池電極的相關研究鮮有報道。
近期，武漢理工大學木士春研究課題組設計了一種新型的Na-Mn-O晶體材料，并對其結構特性和電化學性能進行了詳細的研究和分析。該材料起源于MnO2納米棒，并經歷兩次物相轉變而成。與以往應用于電池電極的錳系氧化物材料不同的是，合成出的材料含有12.5%的結晶水。令人驚奇的是，該材料作為負極組裝成紐扣電池后，表現出了非常優異的電化學性能：在連續的循環與倍率測試過程中最高可達2147 mAh/g的超高比容量（電流密度為0.1 A/g）；而在4 A/g大電流密度下，經過2000次循環后仍保持547 mAh/g的容量。XRD分析進一步證實了該晶體材料在鋰離子嵌入/脫出過程中未發生物相轉變，其晶格參數的計算結果表明晶格體積變化<2%，在電化學條件下展現了出色的結構穩定性。此外，對該樣品進行脫水處理后，其電化學性能減弱，揭示了結晶水對提高該材料的電化學性能也有著重要的促進作用。這是首次將含結晶水材料應用于鋰離子電池負極。
除了應用于儲鋰，該水合Na-Mn-O納米材料還在超級電容器、催化劑以及其它電池在內的能量轉換和存儲領域具有非常大的應用前景。武漢理工大學麥立強課題組也參與了部分研究工作。相關論文已在線發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials, 2016, DOI: 10.1002/aenm.201602092)上。
該新聞報道出處：http://www.materialsviewschina.com/2017/03/24366/