將Co氧化成空心Co3O4負載於電紡(碳)納米纖維改善儲鋰性能

鋰離子電池(LIBs)作為最有前途的可充電儲能設備之一,以其低成本、環保、長循環壽命、高能量密度等優點在便攜式電子產品中得到了廣泛的應用。目前,石墨基陽極材料以其優異的循環性能在商業上佔據主導地位,但其理論容量僅為372 mA h/g,限制了其大規模儲能應用。過渡金屬氧化物(TMOs)因其具有較高的理論比容量、自然丰度和生態友好性而受到越來越多的關注。但其體積膨脹/收縮大,導電性差,導致容量損失基本不可逆,循環穩定性差。為了減輕體積變化引起的應力從而導致的粉化問題,Co

3O4的合理結構設計至關重要,納米結構被認為是一種很有前途的策略,因為納米結構可以大大縮短鋰的擴散長度,有效地促進電極/電解質界面反應。比如納米管,納米線,納米片,納米顆粒,納米籠。為了提高TMOs的導電性,碳基材料與TMOs的雜交得到了廣泛的應用。雖然通過各種策略已經取得了很大的進展,但Co3O4基陽極的長期循環穩定性還遠遠不能滿足要求,需要進一步改進。

近日,東華大學劉天西教授課題組通過電紡以及空氣中熱處理將在電紡(碳)納米纖維中的固體Co納米顆粒氧化成空心Co3O4納米顆粒,從而構建了高性能電紡電極材料。其中,醋酸鈷(Ⅱ)(Co(Ac)2)、雙氰胺(DCD,C

2H4N4)、聚丙烯腈(PAN)分別作為Co源、添加劑和碳源,溶解在N,N-二甲基甲酰胺中(DMF)用作電紡絲前體溶液。作者通過調節氧化溫度/氧化時間,構建出具有可控纖維中空Co3O4納米顆粒的碳含量。該纖維產品在用作LIBs負極材料時,由於其獨特的中空納米結構、碳雜化和新型的納米級-納米纖維組裝,表現出較高的比容量和優異的循環穩定性。該方法也可用於其它過渡金屬(如鎳、鎳鈷等)氧化物的合成,為設計新型的高性能納米結構電極材料,為實現電化學儲能和轉化應用提供了廣闊的前景。相關研究成果以“Oxidizing Solid Co into Hollow Co3O4 within Electrospun (Carbon) Nanofibers towards Enhanced Lithium Storage Performance”為題目發表於J. Mater. Chem. A 上。

將Co氧化成空心Co3O4負載於電紡(碳)納米纖維改善儲鋰性能


圖1 (a)電紡Co(Ac)2/DCD/PAN和Co@C納米纖維在不同條件下熱處理製備具有中空多孔結構的纖維Co3O4的示意圖。(b)製備的Co@C和Co3O4 納米纖維的XRD圖譜。(c和d)製備的Co@C納米纖維的SEM圖像,(e) TEM和(f) HRTEM圖像。(g和h)製備的Co3O4納米纖維的SEM圖像,(i) TEM圖像和(j) HRTEM圖像。

將Co氧化成空心Co3O4負載於電紡(碳)納米纖維改善儲鋰性能

圖2 (a) Co@C和Co3O4納米纖維的拉曼光譜,(b) TGA曲線,(c) N2吸附等溫線,(d)孔徑分佈圖。(e, f)Co3O4納米纖維的中 Co 2p和(f) O1s的高分辨率XPS光譜。

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圖3 Co@C納米纖維在空氣中以300

oC熱處理不同時間得到中間產物的TEM圖像,(a, b) 15分鐘;(c, d) 3h。


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圖4 Co@C和Co3O4納米纖維的電化學性質。(a) 0.2 mV/s CV曲線,(b) Co3

O4電極在不同掃描速率下的CV曲線,(c)峰值電流與掃描速率的對數關係。(d)Co3O4納米纖維200mA/g的充放電曲線;(e) Co@C和Co3O4納米纖維在不同電流密度下的倍率性能和(f) Co@C和Co3O4納米纖維在200mA/g下的循環性能。(e)碳納米纖維在300oC熱處理3h後得到的Co3O4/C納米纖維的長期循環性能及相應的庫侖效率。

論文鏈接:https://doi.org/10.1039/C9TA00045C

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