近日，廣州大學(xué)教授王家海團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)教授邵敏華，在高性能鋰離子電池研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究發(fā)表于《納米能源》。
據(jù)介紹，近年來，便攜式電子設(shè)備的推廣及高度集成化、小型化的發(fā)展趨勢，對可充電鋰離子電池性能的要求越來越高。對鋰離子電池而言，負(fù)極材料是影響電池整體性能的重要因素。作為傳統(tǒng)商用鋰電池負(fù)極的石墨材料，其較低的比容量阻礙了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋找具有高比容量和優(yōu)異循環(huán)及倍率性能的新型負(fù)極材料對于開發(fā)下一代高性能鋰離子電池至關(guān)重要。作為一種典型的四元固溶體材料，（Ga1-xZnx）（N1-xOx）（GaZnON）具有穩(wěn)定的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。電負(fù)性較小的N原子的引入，使得Zn 3d和N 2p軌道之間存在相互作用，從而在不改變導(dǎo)帶底位置的情況下，降低價(jià)帶頂?shù)奈恢?，提高電子轉(zhuǎn)移效率。此外，更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)也有利于GaZnON在惡劣的電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境中使用。但是，傳統(tǒng)固相氨化反應(yīng)會導(dǎo)致GaZnON顆粒形態(tài)和組分的分布不均勻。同時(shí)，較小的比表面積也會阻礙GaZnON與電解液的充分接觸，導(dǎo)致可參與反應(yīng)的活性位點(diǎn)相對較少，制約其在鋰離子電池中的進(jìn)一步應(yīng)用。
為解決上述問題，研究人員利用氧化石墨烯表面含氧基團(tuán)作為金屬離子吸附活性位點(diǎn)的原理，得到石墨烯復(fù)合GaZnON納米顆粒，利用內(nèi)建電場的調(diào)控作用，增強(qiáng)GaZnON與石墨烯間界面耦合作用，并充分利用GaZnON的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與石墨烯良好導(dǎo)電性之間的協(xié)同效應(yīng)，加快電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程，增強(qiáng)GaZnON復(fù)合電極的電化學(xué)性能。理論計(jì)算研究進(jìn)一步表明，石墨烯復(fù)合GaZnON表面電子發(fā)生聚集并進(jìn)行重新分布，從而促進(jìn)電荷遷移，增進(jìn)表面耦合作用，通過表面工程設(shè)計(jì)的界面結(jié)構(gòu)，不僅能增強(qiáng)GaZnON表面電子密度，還能極大提高充放電過程中的電荷遷移擴(kuò)散效率，降低鋰離子遷移能帶壁壘，增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)過程中復(fù)合電極的倍率和循環(huán)性能。該研究為通過界面調(diào)控策略提高電極材料的電荷轉(zhuǎn)移效率和開發(fā)高性能電極材料提供了新的研究思路，并極大的擴(kuò)展了傳統(tǒng)金屬氮氧化物的應(yīng)用范圍
