【期刊】苏州大学高立军教授Energy Materials：一种钼酸锂复合碳纳米纤维的锂电池负极材料

Lithium molybdate composited with carbon nanofibers as a high-capacity and stable anode material for lithium-ion batteries

王佳琪，姚俊屹，李婉盈，朱文豪， 杨杰，赵建庆^*，高立军^*

导读基于转化反应机制的过渡金属氧化物因具有优异的嵌/脱锂能力和较高的理论比容量，而被认为是有望接替石墨的理想负极材料。然而，较差的电子电导率、锂离子脱嵌时不可逆的严重体积畸变，极易影响电池的循环稳定性。由此，本文以Li₂MoO₄这一钼基氧化物为例，并与纳米碳材料(CNF)复合，以提高钼基材料的电化学性能。
图片摘要
正文

通过简单的溶胶凝胶法，合成了复合材料Li₂MoO₄@CNF(LMO@CNF)。CNF将LMO颗粒紧密缠绕，并且每个颗粒之间都有CNF连接，整体上形成了一个独特的互联导电网络，有利于离子的快速扩散。

图1  (A) CNF的HRTEM图像；(B) LMO@CNF及其 (C) 绿色放大区域的HRTEM图像；(D) LMO@CNF及其 (E) 紫色放大区域的HRTEM图像；(F)LMO@CNF的元素分布扫描图。

在循环过程中，破碎的LMO微晶可以通过CNF连接，使复合材料表现出优异的电化学性能。电流密度为100 mA g^-1时，LMO@CNF负极的初始可逆比容量可高达831 mAh g^-1，经过100次循环后仍有761 mAh g^-1的放电比容量。在1000 mA g^-1的高电流密度下，经过800次长循环后仍能保持290 mAh g^-1的放电比容量。由电化学性能测试结果，证明了LMO@CNF复合材料具有较高的比容量和较优的循环稳定性。

图2 (A)LMO，CNF和LMO@CNF负极的倍率性能对比图。在(B)100 mA g^-1，(C)500 mA g^-1，(D)1000 mA g^-1的电流密度下三种材料的循环性能比较图。

通过CV、EIS、原位和非原位XRD、XPS和TEM的测试，探讨了反应机理。LMO@CNF先在首圈放电过程中，经历第一个嵌锂步骤转化为Li_2+xMoO₄，然后是一个相变步骤转化为Li_0.98MoO₂，Li_0.98MoO₂在低电位下进一步转化为Mo和Li₂O。接着在氧化过程中形成的Li_xMo_yO_z非晶相。后续循环是Mo和Li_xMo_yO_z之间的可逆转化反应。Li_xMo_yO_z非晶相物质有助于LMO@CNF在可逆反应中维持高比容量的电化学性能。

图3  (A)LMO，(B)CNF和(C)LMO@CNF负极在扫描速率为0.1 mv s^-1时的循环伏安曲线(CV)图。
图4 (A)在100 mA g^-1电流密度下放电至0.01 V时LMO@CNF负极材料的TEM图；(B)元素分布扫描图；(C)另一处TEM图像；(D)(E)(F)放大区域的HRTEM图像；(G)选区电子衍射图。
展望本工作将碳纳米材料（CNF）与钼基二元金属氧化物Li₂MoO₄复合，证实了导电碳网络对抑制容量衰减、缓解体积膨胀的改善作用，这为其他金属氧化物的优化提供了一定的启发。此外，选择NCM三元正极材料与LMO@CNF组装成全电池体系。鉴于NCM//LMO@CNF全电池优异的容量保持率，我们可以确定LMO@CNF负极材料有不错的商业化应用前景和发展潜力。

基金支持

这项工作得到了国家自然科学基金〔U1401248〕的支持。

通讯作者介绍

赵建庆，苏州大学能源与材料创新研究所能源学院副教授。他于2014年获得美国路易斯安那州立大学博士学位。2015-2016年在美国布鲁克海文国家实验室进行研究合作。2016年加入苏州大学能源学院，任副教授。他目前的研究重点是高比能量锂离子电池正极材料的可控制备及电化学性能研究。高立军，1987年本科毕业于北京大学化学系，1994年获得加拿大渥太华大学博士学位。2010年起任苏州大学能源学院特聘教授。专长为锂/钠离子电池，超级电容器，氢催化等相关电化学能量转化与存储领域。

---

推荐阅读

蔻享学术 平台介绍

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

识别二维码，

下载 蔻享APP  查看最新资源数据。

点击阅读原文，查看更多精彩报告！