南京工业大学朱纪欣教授团队新进展｜锂化体积应变自重构：V2O5@FeOOH异质空心纳米结构助力锂离子电池

近日，南京工业大学朱纪欣教授团队报道了一种锂化体积应变自重构的V₂O₅@FeOOH空心纳米花电极材料，并在锂离子电池储能中表现出优良的性能。相关成果以“Stereoassembled V₂O₅@FeOOH Hollow Architectures with Lithiation Volumetric Strain Self-Reconstruction”为题发表在Research上（Research，2020，2360796，DOI：10.34133/2020/2360796）。

研究背景

随着清洁能源的快速发展，储能器件的研究与应用在成为未来减少二氧化碳排放、环境污染以及对石油依赖的热门能源技术。锂离子电池，由于具有较高的能量密度、较低的自放电效应和记忆效应、环境友好等特点，已被广泛应用于电动汽车、电子设备、传感装置和可穿戴设备等领域。在众多的锂电负极材料中，过渡金属氧化物一族中的氧化钒材料具有丰富的价态（+2价到+5价），可以嵌入更多的锂离子，表现出优越的储锂性能。此外，异质结构在提高电池容量与稳定性中也显示出极大的潜力。目前，有效构建基于V₂O₅的具有可调复杂纳米异质结构电极仍然需要进行进一步探索。

研究现状

朱纪欣教授团队提出了一种高效、简便的方法，在温和条件下实现V₂O₅@FeOOH异质结构立体自组装（图1）。在前期V₂O₅电极材料多级结构调控的工作基础上，以商用V₂O₅粉末为原料，于室温下溶解，通过控制水浴反应时间，借助Fe(NO3)3诱导V₂O₅纳米片自组装，在形成层次分明的多级结构的同时，实现FeOOH的原位沉积，优化立体组装的纳米异质结构。

图1  立体组装V₂O₅@FeOOH空心异质结构的示意图

V₂O₅@FeOOH由超薄纳米片自组装而成，且具有直径约300 nm的空腔，形貌均一。HRTEM显示非晶态FeOOH在V₂O₅纳米片表面的无规覆盖，XRD与XPS谱图结果进一步表明对异质结构中铁系非晶态含量的有效调控（图2）。

图2  V₂O₅@FeOOH空心异质结构的微观结构和化学成分表征

将该复合异质结构应用于锂离子电池负极，表现出稳定的可逆容量及优良的倍率性能（200 mA g^-1的电流密度下，电极的可逆容量可稳定在960 mAh g^-1）。V₂O₅@FeOOH异质电极材料性能优异的原因可总结为以下三个方面：

（1）V₂O₅与FeOOH放电平台的差异，有效地限制了锂化过程中纳米花的体积膨胀，避免电极材料在充放电过程中的结构坍塌；

（2）非晶态FeOOH区域的存在丰富了V₂O₅的晶界/相界面，产生额外的Li+储存位点和扩散通道，提高反应活性及储锂能力；

（3）在反复进行的嵌锂和脱锂过程中，除了通过V₂O₅和FeOOH的协同作用实现应变自重构，中空结构的配置可以加快离子、电子的传输速率，进一步提升电池的循环稳定性（图3）。

图3  V₂O₅@FeOOH空心异质电极材料储锂的电化学性能

未来展望

本工作设计和制备了具有优良性能的锂化体积应变自重构的V₂O₅@FeOOH异质空心纳米花复合电极材料，为开发低成本、高性能的锂离子电池负极材料提供了新方向。这一结果可以进一步拓展用于优化其他过渡金属氧化物电极材料，为未来新能源应用的发展提供了新的思路。

作者简介

朱纪欣 教授，博士生导师，主要从事新材料设计与能源存储、柔性与可穿戴电子器件等研究工作。2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2015年分别于美国莱斯大学、德国慕尼黑工业大学创新中心和德国马普学会胶体与界面所从事研究工作，2016年加入南京工业大学先进材料研究院。目前，在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Angew. Chem. Int., Ed., Energy Environ. Sci.等期刊发表SCI论文120余篇，被引用8400余次，H指数52，申获发明专利10余件。该研究获国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才引进计划、江苏省杰出青年基金等资助。

往期回顾

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料研、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CSCD、DOAJ、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

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