《Tungsten》研究文章-改性氧化钨作为无粘接剂负极提升锂离子电池的电化学稳定性

点击蓝字关注我们

三氧化钨（WO₃）负极由于锂转化反应而具有较高的理论比容量（693 mAh g^-1），远优于传统石墨阳极（372 mAh g^-1）。因此，WO₃是一种很有前途的负极材料。然而WO₃作为锂离子电池的负极活性物质，因其电导率/离子扩散率低，体积变化大，导致其在锂化/蚀变过程中极化严重，降低循环稳定性。

通常利用缺陷型WO₃作为降低其能带隙，在一定程度上提高其电导率，并为催化剂提供更多的活性位点；另一方面，石墨烯和碳纳米管宏观膜具有机械柔韧性和高电子迁移率，用作衬底加载活性物质可以构建无粘结剂电极。通常方法是在碳基薄膜表面直接沉积或生长WO₃，从而获得无粘结剂WO₃电极。近年来，利用超声或过滤技术将WO₃负载在碳基宏观膜表面，所制备的柔性复合材料可直接用作电极，具有良好的循环性能和速率性能。然而直接涂覆在基底表面的WO₃活性物质在充放电过程中往往存在结合力差、易破碎、甚至从集流体表面脱落的问题，这就造成了电池容量严重衰减，甚至引发一系列安全事故。

近日，江西理工大学尹艳红副教授利用课题组在制备大面积柔性碳纳米管宏观膜方面的独特优势，通过水热和在线自组装制备了无粘接剂WO₃复合薄膜。具体采用水热合成法，以尿素作为碳源和氮源，控制W⁶⁺离子缓慢发生水解反应，生成前驱体；再经低温热处理形成超薄碳层包覆的氮掺杂WO₃纳米片（N-doped WO₃@CL）；最后通过在线自组装技术将N-doped WO₃@CL嵌入到碳纳米管薄膜（CMF）中，制备的复合薄膜（N-doped WO₃@CL/CMF）直接作为锂离子电池负极，有效提升了电池的电化学稳定性。该工作发表于英文期刊《Tungsten》上，标题为“Modified tungsten oxide as a binder-free anode in lithium-ion battery for improving electrochemical stability”。

采用水热法合成了氮掺杂WO₃且表面包覆超薄碳层，并与碳纳米管宏观薄膜（CMF）复合形成N-doped WO₃@CL@CMF复合薄膜。 实验结果显示，与未改性WO₃@CMF电极相比，无粘接剂N-doped WO₃@CL@CMF作为锂离子电池负极，具有更高的放电容量和更好的循环稳定性。 电化学性能结果表明， N掺杂产生的WO₃表面缺陷倾向于提供更多的通道来改善Li离子的扩散;  N掺杂WO₃@CL@CMF中的碳纳米管网络结构有利于缩短Li离子的扩散长度，导致Li离子掺入量增加; 超薄碳层和CMF协同缓解了N掺杂WO₃在电化学循环过程中较大的体积变化。该工作为大规模设计高性能钨氧化物无粘结剂锂离子电池负极提供了新的研究思路。 

引用

全文链接

扫描下方二维码获取全文

专刊介绍

作者简介

尹艳红，博士（后），江西理工大学材料冶金化学学部副教授。目前主要研究方向为纳米钨基和碳基材料的设计合成以及在柔性能量转换和储存器件的研发。