仿生蜘蛛网状碳纳米管复合物高性能储锂

引      言    

目前商品化的锂离子电池主要以石墨作为负极材料，其优点是循环性能和倍率性能较好，但其理论比容量仅为372mAh/g，难以满足电动汽车等高能量密度应用要求。过渡金属氧化物因其高理论比容量（>600 mAh/g）而备受关注，但其低循环性能和倍率性能，以及循环过程体积膨胀等问题严重阻碍其商业化。目前，各种碳质材料，如碳纳米管（CNTs），石墨烯，多孔碳，空心纳米球，已经被用来以纳米复合材料或混合物的形式解决上述问题。

图1 （a）蜘蛛网状复合网的仿生设计；（b）蜘蛛网状复合阳极的合成过程。

成果简介    

近期，来自于粘性蜘蛛网的结构特征和工作原理的灵感，成均馆大学Ho Seok Park等人通过臭氧化，冰模板组装以及热处理等过程合成出分层多孔的蜘蛛网状多壁碳纳米管（MWCNT）/γ-Fe2O3复合物（MWF），作为锂离子电池负极，表现出良好的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. EnergyMater. 上。

图2 （a-e）MW的FE-SEM图；（f–h）MWF1的FE-SEM图；（i-l）MWF1的HR-TEM图；（m-p）MWF1的mapping图。

图3 （a）MWF1的前五圈充放电曲线图；（b）MWF1的CV图；（c）所有MWF样品的充放电曲线图；（d）MWF1的倍率性能I，MW和γ-Fe2O3混合物的倍率性能ii；（e）MWF1，MW和γ-Fe2O3混合物，γ-Fe2O3的阻抗图；（f）MW和γ-Fe2O3混合物，γ-Fe2O3，MWF0.1，MWF1和MWF2的循环性能图。

机制分析    

蜘蛛网状MWCNT /γ-Fe2O3复合物不仅捕获活性物质γ-Fe2O3，也提供电荷快速传输的3D互联路径和机械完整性。因此，作为锂离子电池负极，MWF表现出优越的循环稳定性和倍率性能。在电流密度0.05 A/g下，容量高达822 mA h/g；在经历电流密度0.05-1 A/g充放电后，容量保持率为72.3%；在电流密度0.1 A/g下，循环310圈后，容量保持率高达88%，库伦效率为99%。最后，这个合成方法为以后高性能储能材料的仿生设计提供了一个环境安全，简单和成本效益的借鉴。

材料制备    

MWCNT分散在去离子水中：MWCNTs首先分散在去离子水中（100ml），接着进行臭氧处理。（详细过程见文献）

MWCNT及其复合物的制备：将MWCNT与α-Fe2O3的重量比分别为1:0.1，1:1和1:2均匀混合，慢慢放入液氮浴，维持1小时。接着进行冷冻干燥处理3天，得到MW/α-Fe2O3复合物。最后，MW/α-Fe2O3复合物在氮气气氛下300℃煅烧1h，再在900℃下煅烧1h，得到MWF0.1（MWCNT：γ-Fe2O3= 1:0.1），MWF1（MWCNT：γ-Fe2O3 = 1:1）和MWF2（MWCNT: γ-Fe2O3 = 1:2）。用相同的合成过程制备出MW（不添加α-Fe2O3）和γ-Fe2O3（不添加MW）。

参考文献  

Pallab Bhattacharya,Manikantan Kota, Dong Hoon Suh, Kwang Chul Roh, and Ho Seok Park. Biomimetic Spider-Web-Like Composites for Enhanced Rate Capability and Cycle Life of Lithium Ion Battery Anodes, Adv. Energy Mater. 2017, DOI:10.1002/aenm.201700331. 

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