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在充放電過程中，電極材料的各向異性膨脹和收縮是限制充電機充電鋰離子蓄電池循環壽命的主要原因之一。鋰離子的嵌入/脫出使得電極材料發生各向異性的膨脹和收縮，導致電極材料初始晶粒產生裂紋，進而產生破碎粉化，并最終引起材料的性能失穩和損壞。因此，緩解晶粒各向異性膨脹和收縮而產生的應力，抑制或避免材料在長時循環過程中的破碎粉化為獲得高穩定性電極材料提供了關鍵思路。合理的結構形貌設計可以較好的減弱因材料結構變化而產生的應力，保持材料在充放電循環過程中的結構穩定性。同時，由較小的納米晶粒構成的軟團聚體被證明能夠有效的緩解晶粒收縮膨脹產生的應力，維持電極材料在鋰離子嵌入/脫出過程中的結構穩定性。

【成果簡介】
近日，北京理工大學材料學院金海波教授團隊的趙永杰副教授、北京郵電大學郝亞楠博士以及德州大學奧斯汀分校李玉濤博士合作，采用高能球磨和冷凍干燥法制備石墨烯包覆T-Nb2O5納米顆粒的軟聚體材料（石墨烯/T-Nb2O5）。該材料作為充電機充電鋰離子蓄電池負極材料表現出優異的倍率循環性能。在1 C（200 mA g-1）倍率下經過700次充放電循環仍然保持了222 mA h g-1的比容量。同時，在超高倍率（10 C）經1600次充放電循環仍然獲得了163 mA h g-1的比容量。該研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，論文題目為“Neat Design for the Structure of Electrode To Optimize the Lithium-Ion Battery Performance”，第一作者為北京理工大學材料學院趙永杰博士，北京郵電大學郝亞楠博士和北京理工大學金海波教授為共同通訊作者。

【圖文導讀】


圖1材料的結構表征結果
(a)T-Nb2O5納米顆粒的SEM圖片; (b)T-Nb2O5納米顆粒的TEM圖片; (c)T-Nb2O5納米顆粒的高分辨TEM圖片; (d) 石墨烯/T-Nb2O5的SEM圖片; (e) 石墨烯/T-Nb2O5的TEM圖片; (f) 石墨烯/T-Nb2O5的高分辨TEM圖片;  (g) T-Nb2O5納米顆粒及石墨烯/T-Nb2O5的XRD; (h) 氧化石墨烯, T-Nb2O5納米顆粒及石墨烯/T-Nb2O5的拉曼譜圖; (i) 石墨烯/T-Nb2O5的C 1s XPS譜圖, 插圖為氧化石墨烯的C 1s XPS譜。


圖2 材料電化學性能表征結果
(a)循環伏安曲線; (b) 1 C倍率下的電壓-電容曲線; (c)與(b)相對應的dQ/dV-V曲線; (d)倍率曲線; (e)在1 C倍率下的循環曲線; (f) 在10 C倍率下的循環曲線。


充放電機理分析表征
(a)不同掃描速率循環伏安曲線; (b)氧化還原峰值電流和掃描速率的對數曲線; (c)不同電位下電流i與掃描速率v的關系曲線: i/v1/2- v1/2; (d)電容控制過程對比容量的貢獻分析曲線; (e)Nyquist譜圖; (f)700次充放電循環后和初始情況Nyquist譜圖對比; (g) 第5次充放電循環電壓-比容量曲線; (h) 不同充放電程度的非原位XRD表征。


充放電過程中形貌結構表征與機理示意圖
(a)充放電循環前電極的SEM圖; (b)5000次充放電循環后電極SEM圖; (c) 與(b)相對應的EDX譜和元素分布圖; (d) 1000次循環后石墨烯/ T-Nb2O5的TEM圖和高分辨TEM圖; (e) 2000次循環后石墨烯/ T-Nb2O5的TEM圖和高分辨TEM圖; (f) 5000次循環后石墨烯/T-Nb2O5的TEM圖和高分辨TEM圖; (g) T-Nb2O5納米顆粒的充放電機理示意圖; (h) 石墨烯/T-Nb2O5的充放電機理示意圖。

【小結】
該研究通過高能球磨和冷凍干燥法制備出石墨烯/T-Nb2O5復合材料，獲得了一種高倍率、高循環穩定性的充電機充電鋰離子蓄電池負極材料。分析表明，該復合結構可以有效的緩解電極材料在長循環過程中的粉化破碎現象，提供穩定的電荷擴散和傳遞通道，同時增強了材料的界面電容儲鋰性能，為材料的高倍率穩定性提供了優異的條件。該工作為制備高性能電極材料提供很好的參考和思路，同時對于開發新型、穩定、兼具高能量密度和高功率密度的充電機充電鋰離子蓄電池具有重要意義。