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【引言】

電化學儲能作為一種穩定高效易于運輸的儲能方式近年來已經深入人們的日常生活中。鋰電池作為眾多電化學儲能方式的典型代表，在最近二十余年中，有關其的研究成果一直層出不窮。研究人員始終致力于有關如何提升鋰電池電化學性能的基礎與應用研究。如何設計并制備出具有高容量和能量密度、能量輸出穩定以及可靠壽命的鋰電池正極材料這一話題始終是研究焦點，尤其是近年來開始受到關注的具有納米分級結構的免粘接劑的新型電極材料的設計和制備十分具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯A＆M大學（Texas A＆M University）機械工程系及材料科學與工程系Dr． Hong Liang教授（通訊作者）設計并成功制備出了一種具有創新性的三維納米超分級結構的鎳／孔陣鎳／五氧化二釩納米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）復合材料。當其直接用于鋰電池正極材料時，均表現出優異的電化學充放電循環性能，并且這種新型的電極材料無需任何有機粘接劑，大大提高了電化學性能并優化了電池組裝流程。最后，作者借助一系列分析手段進行了機理分析，結果表明這種新型電極材料的優異性能主要得益于三方面的協同效應：一是新型鎳孔陣列集流體，二是具有納米結構的五氧化二釩納米片及其組裝而成的微米花朵結構，三是具有創新性的無粘接劑技術制備電極。這些優點集合而成優勢有助于提高電極材料的電化學能量輸出和循環穩定性。相關成果日前以題為“Superhierarchical Nickel–Vanadia Nanocomposites for Lithium Storage”發表在美國化學會旗下的國際知名期刊ACS Applied Energy Materials上，課題組博士生Yuan Yue為論文第一作者。

【圖文導讀】

圖1 Ni／Porous－Ni／V2O5復合材料的XRD晶體學表征

圖2 Ni／Porous－Ni／V2O5復合材料及其對照組Ni／V2O5的掃描電鏡圖像

（a）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率掃描電鏡圖像；

（b）退火前的Ni／Porous－Ni／V2O5低倍率掃描電鏡圖像；

（c）退火后的Ni／Porous－Ni／V2O5高倍率掃描電鏡圖像；

（d）退火前的Ni／V2O5對照組樣品低倍率掃描電鏡圖像。

圖3 Ni／Porous－Ni／V2O5復合材料及其對照組Ni／V2O5作為鋰電池正極的電化學表征結果

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循環100次過程中的充放電性能曲線；

（b）Ni／V2O5在0．2 C低速循環100次過程中的充放電性能曲線；

（c）Ni／Porous－Ni／V2O5和對照組Ni／V2O5在0．2 C低速循環100次時的比容量和庫倫效率變化的對比；

（d）Ni／Porous－Ni／V2O5和對照組Ni／V2O5在3．0 C高速循環500次時的比容量和庫倫效率變化的對比。

圖4 Ni／Porous－Ni／V2O5復合電極材料在100次充放電循環前后的形貌對比

（a）Ni／Porous－Ni／V2O5在充放電循環之前的掃描電鏡圖像；

（b）Ni／Porous－Ni／V2O5在0．2 C低速循環100次之后的掃描電鏡圖像

【小結】

作者通過簡單的電化學沉積和水熱合成方式，成功制備出了一種具有創新性的三維納米超分級結構的鎳／孔陣鎳／五氧化二釩納米片（Ni／Porous－Ni／V2O5）復合材料，通過表征和分析這種三維納米超分級結構Ni／Porous－Ni／V2O5鋰電池電極的性能優勢，作者歸納出以下三點主要優點：1）該電極采用了新型Ni／Porous－Ni集流體，該集流體具有垂直對齊的大量致密微米級多孔陣列結構，這種結構有利于提高集流體的比表面積并提升電子傳輸效率；（2）該電極的V2O5活性材料是一張新型的超薄二維納米片結構，該結構可以大幅提升活性材料的表面積并且減小鋰離子在其中的擴散距離；（3）更為重要的是，該電極采用了新穎的無粘接劑方式來組裝活性材料和集流體，這種方式有效避免了傳統電池電極組裝過程中采用有機粘接劑帶來的一系列弊病，使得活性材料能夠以致密但無團聚的理想方式緊密分布在集流體表面，從而提升電化學傳輸性能和循環穩定性。上述成果和優點為下一步進行先進納米材料儲能電極的設計和制備提供了可行有效的新穎思路。