白正宇/杨林/陆俊等AEM：介晶化NiCo2O4纳米颗粒增强Li+存储

背景介绍

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度而被广泛应用于航空、水下武器、轨道交通、医疗设备和电动工具等领域。迄今为止，人们已经开发出各种类型的LIBs负极材料，并对其反应动力学进行了深入的研究。

然而，由于这些材料具有紧密堆积的晶体结构，Li⁺ 的嵌入和脱出不可避免地导致电池循环过程中的大体积膨胀。尽管采用电极材料纳米化的策略，将电极颗粒的尺寸减小可以大幅提高Li⁺的存储容量。然而，伴随着尺寸减小，电极材料的晶界密度会相应增加，能量密度会有所牺牲。特别是，由于结构完整性的减弱，电池循环时活性质量的损失通常是不可避免的。因此，如何平衡电极材料的形态和结晶度，仍然是一项巨大的挑战。

为了同时保证良好的 Li⁺传输动力学和持久的循环寿命，电池电极材料的设计应具有足够大的比表面积（即尺寸较小），颗粒应紧密结合，以保证电极整体结构的稳定性。中晶材料是由许多具有均匀晶体取向的纳米颗粒组成的纳米结构材料。与无序多晶材料相比，中晶材料具有较高的结晶度。尽管基本纳米颗粒之间仍然存在晶界，但颗粒的取向在很大程度上是一致的。同时，中晶材料仍然表现出丰富的空隙和高比表面积，暴露的高能晶面提供了活性位点。因此，中晶材料近年来广泛用于生物学催化等领域，同时也是潜在的LIBs理想电极材料之一。

成果简介

白正宇/杨林/陆俊等AEM：介晶化NiCo2O4纳米颗粒增强Li+存储

有鉴于此，河南师范大学白正宇教授、杨林教授和阿贡国家实验室陆俊研究员等人设计了同时具有高孔隙率、表面积和高结构完整性的中晶 NiCo₂O₄ 纳米材料，以用作高性能LIBs负极。制备的NiCo₂O₄介晶颗粒粒径和结晶度均达到了平衡。每一个介晶颗粒都是由大量的纳米颗粒组成的，晶粒取向均匀，因此具有高的比表面积和高的结构完整性。将这种“介晶化”策略应用于NiCo₂O₄负极，会产生不同程度的赝电容响应，材料的长期循环性能和倍率性能得到了显著提高。上述工作以“Mesocrystallizing Nanograins for Enhanced Li⁺ Storage”为题，发表在能源领域权威期刊《Adv. Energy Mater.》上。

研究亮点

1. 研究结果表明，具有均匀晶体取向的中晶 NiCo₂O₄颗粒能够有效保证高表面积和高结构完整性，从而显着改善 Li⁺存储动力学。因此，基于这种负极材料的LIBs在锂离子传输动力学和循环耐久性方面表现出大大增强的性能。

2. 中晶 NiCo₂O₄ 纳米棒在 1.6 A g^-1 电流密度下，循环 200 次后仍然表现出 1268 mAh g^-1 的高容量，显着高于先前报道的多晶二元过渡金属氧化物。

图1. 中晶 NiCo₂O₄ 纳米棒电极的形貌和电化学性能表征

3. 进一步证明，通过仔细控制合成过程，可以很好的平衡中晶电池材料的形态结构与储能性能。具有不同形貌的中晶材料的生长机制被确定为拓扑结构转变过程，其特征是边缘到核心的逐渐腐蚀过程。

令人印象深刻的是，鱼鳃状结构中晶NiCo₂O₄的电化学性能得到了很大的提高：在 1.6 A g^-1 下循环 200 次后能够提供高达 1403 mAh g^-1 的比容量。

图2. 鱼鳃状结构 NiCo₂O₄ 电极的形貌和电化学性能表征

这项工作为平衡电池电极材料的形态和结晶度以优化其性能提供了重要的合成线索，并有望对未来电池材料的结构设计提供启发。

文献信息

Jingjie Liu et al. Mesocrystallizing Nanograins for Enhanced Li+ Storage. Adv. Energy Mater. 2021, 2100503. DOI: 10.1002/aenm.202100503. https://doi.org/10.1002/aenm.202100503

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