刘文博教授团队在下一代高性能锂离子电池研究方面取得新进展

近日，四川大学机械工程学院刘文博教授团队在下一代高性能锂离子电池电极结构优化设计与性能提升方面取得重要进展，相关研究成果以“Self-Standing 3D Hollow Nanoporous SnO2-Modified CuxO Nanotubes with Nanolamellar Metallic Cu Inwalls: A Facile In Situ Synthesis Protocol toward Enhanced Li Storage Properties”为题发表于材料科学领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》(NATURE INDEX收录期刊，IF: 19.924)。

近年来，作为金属氧化物（MOx，M=Sn、Cu、Fe、Co、Ni等）中的典型代表之一，SnO2凭借其较高的理论比容量、合适的嵌锂电位、无毒且高丰富度等优点，被认为是高能量密度锂离子电池（LIBs）极具应用前景的负极材料。然而，快速的结构恶化和低导电性会导致较差的循环稳定性和电化学可逆性，严重阻碍其实际应用。为克服上述挑战，一个有效策略是设计由装饰SnO2纳米颗粒或纳米晶体的导电多孔框架（如碳纳米管、碳纳米片或泡沫铜）组成的自支撑电极。与由粉末材料制备的传统电极相比，由体相材料制备的自支撑负极具有更多的优点来实现优异的储锂性能。然而，由于SnO2与多孔框架之间的弱键合力（通常为物理键合）和Ostwald熟化效应，常见的自支撑SnO2基负极往往会出现较差的长期循环性能，这在缓解巨大体积变化方面具有很大的局限性。

解决上述问题的可行方案是优化SnO2的纳米结构（如核壳结构、纳米管和纳米球），或在电极设计中调整其与导电组分之间的键合模式（如用化学键合代替物理键合）。研究表明，引入中空结构可以有效缓冲循环过程中的体积变化，并提供大量的电极和电解液之间接触面积，有助于提高储锂容量和循环稳定性。但遗憾的是，由于复杂的高维纳米结构难以精确控制，以往的研究往往集中在具有低维（如零维或一维）中空结构的SnO2粉末材料的制备上，这些合成策略并不适用于三维自支撑电极。因此，如何有效构建一体化三维中空结构同时提升导电性对于提高SnO2乃至MOx基负极材料的储锂性能都具有重要意义。

基于此设想，刘文博教授团队构建了自支撑三维中空纳米多孔SnO2修饰具有纳米层状金属铜内壁的CuxO纳米管异质结构，不仅缓解了在充放电过程中的巨大体积膨胀，为电化学反应提供了大量的活性位点，还缩短了Li+和电子的传输距离并改善了电极整体的导电性，从而获得了优异的储锂性能，为下一代锂离子电池用高性能MOx阳极的设计与研制提供了重要启示。


图1. 自支撑3D-HNP SnO2/CuxO@n-Cu电极的结构设计与原位成形示意图


图2. 自支撑3D-HNP SnO2/CuxO@n-Cu电极的结构表征


图3. 自支撑3D-HNP SnO2/CuxO@n-Cu电极的物相、成分与键价表征


图4. 自支撑3D-HNP SnO2/CuxO@n-Cu电极的电化学性能


图5. 自支撑3D-HNP SnO2/CuxO@n-Cu电极的循环后结构与嵌脱锂反应机制示意图

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省重大基础设施建设项目、四川省国际科技创新合作等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202212654