“类石墨烯”结构的含锂多元氧化物纳米晶的制备及其电化学性能研究

Two-dimensional "graphene-like" inorganic materials, because of the short lithium ion diffusion path, the two-dimensional carrier path and good resistance to volume expansion capacity compared with bulk materials, become a new hot research spot of the lithium storages. Some "graphene-like" dual inorganic materials, such as, MnO2,TiO2 and CoO ultrathin nanosheets, have been synthesized by peeling method, and exhibit good lithium storage performances. However, it is still the bottleneck that the preparation of "graphene-like" structure of lithium-containing multinary oxides (such as, LiCoO2, Li4Ti5O12, LiV3O8, LiNi0.5Mn1.5O4, etc.) widely used in practice. The project uses "graphene-like" dual inorganic oxide nanosheets as precursors, layer-by-layer assembles these oxide nanosheets and graphene nanosheets by electrostatic self-assembly method, then, adds the lithioum ions, and anneals them by low temperatures to synthsize sandwich structure of "graphene-like" lithium-containing multinary oxide nanosheets/graphene nanosheets. The way that layer-by-layer synthesis of lithium-containing multinary oxide nanosheets and graphene nanosheets, will improve the conductivity of the oxides, suppress the volume expasion while lithium inset, but also provide a two-dimensional carrier path, which will be important for achieving lithium ion batteries with high performances.

二维"类石墨烯"纳米片结构的无机晶体材料，因其短的锂离子扩散路径、二维的载流子通道和良好的耐体积膨胀能力，成为了储锂材料研究的新热点。一些单分散的"类石墨烯"二元无机材料，比如MnO2，TiO2，CoO超薄纳米片，通过剥离成功制备，并表现出良好的储锂性能。但是，实践中广泛应用的电极活性材料，含锂多元氧化物（比如，LiCoO2，Li4Ti5O12，LiV3O8，LiMn2O4等）的二维"类石墨烯"纳米片结构的制备仍然是目前面临的难题。本课题以"类石墨烯"结构的二元氧化物纳米片为前驱体，先通过静电自组装和石墨烯层层复合，再加入锂离子，通过低温热处理合成"类石墨烯"结构的含锂多元氧化物纳米片/石墨烯三明治结构复合材料。这种将商品化的含锂多元氧化物与石墨烯层层复合的设计，提高了氧化物的导电性，抑制了体积膨胀，也提供了二维的载流子通道，对实现高性能的锂离子电池具有重要意义。

二维“类石墨烯”纳米片结构的无机材料，因其短的锂离子扩散路径、二维的载流子通道和良好的耐体积膨胀能力，成为了储锂材料研究的新热点。一些单分散的“类石墨烯”二元无机材料，比如MnO2，TiO2，CoO超薄纳米片，通过剥离成功制备，并表现出良好的储锂性能。但是，实践中广泛应用的电极活性材料，含锂多元氧化物（比如，LiCoO2，Li4Ti5O12，LiV3O8，LiMn2O4等）的单分散的二维“类石墨烯”纳米片结构的大量制备仍然是目前面临的难题。本项目以“类石墨烯”结构的二元氧化物V2O5，Co3O4， MnO2， TiO2，MoO2纳米片为前驱体，有些以掺杂二元氧化物NixCo3-xO4，NixMnyO2，纳米片为前驱体，先通过静电自组装和石墨烯层层复合，再加入锂离子，通过低温热处理合成“类石墨烯”结构的含锂多元氧化物LiCoO2，LiNi1-xCoxO2，LiNi0.5Mn1.5O4，Li4Ti5O12，Li3VO8，Li3VO4纳米片/石墨烯三明治结构复合材料。这种将商品化的含锂多元氧化物与石墨烯层层复合的设计，提高了氧化物的导电性，抑制了体积膨胀，也提供了二维的载流子通道，实现了高性能的锂离子电池。比如，Li3VO4超薄纳米片/石墨烯三明治结构复合材料作为锂离子电池的负极材料，实现了高比容量（循环200圈以后，容量高达452mAh/g，而商品化的石墨负极材料的理论比容量仅372mAh/g）、高循环稳定性和高倍率性能（在10C电流充放电条件下，循环1000圈，容量保持在299mAh/g, 充放电倍率可以高达50 C）。所制备的LiV3O8超薄纳米片/石墨烯三明治结构复合材料作为锂离子电池的正极材料，实现了高比容量（0.2 C，容量高达350mAh/g）、高循环稳定性和高倍率性能（在1 C电流充放电条件下，循环500圈，容量保持不变，效率99.5%以上），0.5C充放电的比容量达到0.1 C充放电比容量的90 %以上，比容量和倍率性能远高于所商品化的正极材料。在该项目的资助下，一共发表通讯作者SCI论文30 篇（其中，有20篇属于JCR1区），授权专利4项。