在充放电过程中，电极材料的各向异性膨胀和收缩是限制充电机充电锂离子蓄电池循环寿命的主要原因之一。锂离子的嵌入/脱出使得电极材料发生各向异性的膨胀和收缩，导致电极材料初始晶粒产生裂纹，进而产生破碎粉化，并最终引起材料的性能失稳和损坏。因此，缓解晶粒各向异性膨胀和收缩而产生的应力，抑制或避免材料在长时循环过程中的破碎粉化为获得高稳定性电极材料提供了关键思路。合理的结构形貌设计可以较好的减弱因材料结构变化而产生的应力，保持材料在充放电循环过程中的结构稳定性。同时，由较小的纳米晶粒构成的软团聚体被证明能够有效的缓解晶粒收缩膨胀产生的应力，维持电极材料在锂离子嵌入/脱出过程中的结构稳定性。

【成果简介】
近日，北京理工大学材料学院金海波教授团队的赵永杰副教授、北京邮电大学郝亚楠博士以及德州大学奥斯汀分校李玉涛博士合作，采用高能球磨和冷冻干燥法制备石墨烯包覆T-Nb2O5纳米颗粒的软聚体材料（石墨烯/T-Nb2O5）。该材料作为充电机充电锂离子蓄电池负极材料表现出优异的倍率循环性能。在1 C（200 mA g-1）倍率下经过700次充放电循环仍然保持了222 mA h g-1的比容量。同时，在超高倍率（10 C）经1600次充放电循环仍然获得了163 mA h g-1的比容量。该研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，论文题目为“Neat Design for the Structure of Electrode To Optimize the Lithium-Ion Battery Performance”，第一作者为北京理工大学材料学院赵永杰博士，北京邮电大学郝亚楠博士和北京理工大学金海波教授为共同通讯作者。

【图文导读】


图1材料的结构表征结果
(a)T-Nb2O5纳米颗粒的SEM图片; (b)T-Nb2O5纳米颗粒的TEM图片; (c)T-Nb2O5纳米颗粒的高分辨TEM图片; (d) 石墨烯/T-Nb2O5的SEM图片; (e) 石墨烯/T-Nb2O5的TEM图片; (f) 石墨烯/T-Nb2O5的高分辨TEM图片;  (g) T-Nb2O5纳米颗粒及石墨烯/T-Nb2O5的XRD; (h) 氧化石墨烯, T-Nb2O5纳米颗粒及石墨烯/T-Nb2O5的拉曼谱图; (i) 石墨烯/T-Nb2O5的C 1s XPS谱图, 插图为氧化石墨烯的C 1s XPS谱。


图2 材料电化学性能表征结果
(a)循环伏安曲线; (b) 1 C倍率下的电压-电容曲线; (c)与(b)相对应的dQ/dV-V曲线; (d)倍率曲线; (e)在1 C倍率下的循环曲线; (f) 在10 C倍率下的循环曲线。


充放电机理分析表征
(a)不同扫描速率循环伏安曲线; (b)氧化还原峰值电流和扫描速率的对数曲线; (c)不同电位下电流i与扫描速率v的关系曲线: i/v1/2- v1/2; (d)电容控制过程对比容量的贡献分析曲线; (e)Nyquist谱图; (f)700次充放电循环后和初始情况Nyquist谱图对比; (g) 第5次充放电循环电压-比容量曲线; (h) 不同充放电程度的非原位XRD表征。


充放电过程中形貌结构表征与机理示意图
(a)充放电循环前电极的SEM图; (b)5000次充放电循环后电极SEM图; (c) 与(b)相对应的EDX谱和元素分布图; (d) 1000次循环后石墨烯/ T-Nb2O5的TEM图和高分辨TEM图; (e) 2000次循环后石墨烯/ T-Nb2O5的TEM图和高分辨TEM图; (f) 5000次循环后石墨烯/T-Nb2O5的TEM图和高分辨TEM图; (g) T-Nb2O5纳米颗粒的充放电机理示意图; (h) 石墨烯/T-Nb2O5的充放电机理示意图。

【小结】
该研究通过高能球磨和冷冻干燥法制备出石墨烯/T-Nb2O5复合材料，获得了一种高倍率、高循环稳定性的充电机充电锂离子蓄电池负极材料。分析表明，该复合结构可以有效的缓解电极材料在长循环过程中的粉化破碎现象，提供稳定的电荷扩散和传递通道，同时增强了材料的界面电容储锂性能，为材料的高倍率稳定性提供了优异的条件。该工作为制备高性能电极材料提供很好的参考和思路，同时对于开发新型、稳定、兼具高能量密度和高功率密度的充电机充电锂离子蓄电池具有重要意义。