高容量和高保持率的锂电正极材料:多壳金属氧化物

目前，锂离子电池发展所面临着一个主要问题在于：相比于负极材料，正极材料的容量普遍偏低。V2O5由于具有较高的理论容量，被广泛视为一种具有前景的锂离子电池正极材料。然而，由于V2O5较差的容量保持率和低倍率性能，使得其在锂离子电池中的实际应用困难重重。

有鉴于此，近日，中国科学院大学的王丹教授团队报道了一种利用碳微球作为模板，基于金属阴离子吸附机理制备的中空多壳层V2O5微球。这种方法与常规的金属阳离子吸附机理大不相同。按照传统的阳离子吸附方法，所制备的V2O5往往只是单壳的空心微球结构。

图1制备中空多壳层微球的2种策略

在这一工作中，研究者通过控制前驱体浓度、吸附温度、吸附时间、溶剂和热处理过程这五种不同的参数，制备了一系列不同结构的V2O5空心微球(如图2)。矾离子渗透入碳微球中作为催化剂，促进热处理过程中碳微球的燃烧。由于碳微球燃烧过程中矾基催化剂逐渐释放并结晶成V2O5，进一步起到催化燃烧的作用。

这一过程类似于希腊神话中士兵从特洛伊木马中出现的情景，因此被作者称为特洛伊催化燃烧过程(Trojancatalyticcombustionprocess)。虽然不同的方法可能会得到相似的结构，例如多腔空心微球及双壳V2O5空心微球，但不同方法制备的三壳V2O5空心微球却有所不同：通过三次重复吸附过程制备的三壳空心微球具有更厚的壳层，这可能是由于通过三次重复吸附操作的手段不如其他方式那样连续，减弱了特洛伊催化效果和壳层的分离。

图2制备条件对产物形貌的影响

随后研究者将所制得的三壳V2O5空心微球作为锂离子电池正极进行电化学性能表征，研究发现，这种多壳层的V2O5中空微球在1000mAg-1条件下首次比容量高达447.9mAhg-1，且循环100次后，比容量保持在402.4mAhg-1。显著高于其他V2O5空心结构。

图3多壳层V2O5中空微球的电化学性能

因此，使用这种碳微球模板基于金属阴离子吸附机理制备手段，可以获得一系列多壳层金属氧化物中空微球(V2O5、MnO2、MoO3、Cr2O3、WO3等)，克服了以前实验方案的局限，极大地丰富了金属氧化物空心微球的类别。这种多壳层金属氧化物中空微球正极材料显著地降低了正负极材料之间容量的差距，为下一代锂离子电池的发展开创了一个新的渠道。相关研究成果在线发表于知名期刊NatureEnergy上。(DOI:10.1038/NENERGY.2016.50Multi-shelledmetaloxidespreparedviaananion-adsorptionmechanismforlithium-ionbatteries.JiangyanWang,HongjieTang,LijuanZhang,HaoRen,RanboYu*,QuanJin,JianQi,DanMao,MeiYang,YunWang,PorunLiu,YuZhang*,YurenWen,LinGu,GuanghuiMa,ZhiguoSu,ZhiyongTang,HuijunZhaoandDanWang*)