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一區(qū)論文應用案例 · 前沿專題型

微波輔助合成高性能鈉離子電池用 NiCo2O4 雙殼空心球

該研究發(fā)表于 nano-micro letters（2017），使用 XH-800S 開展 鈉離子電池、NiCo?O? 研究，關(guān)鍵結(jié)果包括脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積 30.7 m2 g-1；高可逆放電容量 341 mAh g-1；高可逆比容量 511 mAh g-1。

論文編號 356
應用方向 鈉離子電池、NiCo?O?、雙殼空心球、微波輔助溶劑熱法、負極材料、電化學性能
關(guān)鍵結(jié)果 脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積 30.7 m2 g-1
核心條件 溫度 180°C
論文編號
356
期刊
nano-micro letters
影響因子
7.4
中科院分區(qū)
1 區(qū)
發(fā)表年份
2017
設備型號
XH-800S
作者單位
四川大學；四川大學 化學工程學院；四川大學 電子信息學院
Sichuan University; School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, People's Republic of China; School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, People's Republic of China
研究方向
鈉離子電池 NiCo?O? 雙殼空心球 微波輔助溶劑熱法 負極材料 電化學性能

事實快照

  • 論文：微波輔助合成高性能鈉離子電池用 NiCo2O4 雙殼空心球
  • 設備：XH-800S
  • 期刊與分區(qū)：nano-micro letters，中科院 1 區(qū)
  • 核心條件：溫度 180°C；時間 30 min / 20 min / 6 h
  • 關(guān)鍵結(jié)果：脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積 30.7 m2 g-1；高可逆放電容量 341 mAh g-1；高可逆比容量 511 mAh g-1
  • 用途：可作為 鈉離子電池、NiCo?O? 的論文證據(jù)頁。

研究摘要

三元過渡金屬氧化物NiCo?O?因其高理論容量和優(yōu)異的電導率，被認為是一種有前景的鈉離子電池負極材料。然而，其鈉離子存儲能力受到緩慢的鈉化/脫鈉反應動力學的嚴重限制。本文通過微波輔助快速溶劑熱法在異丙醇和甘油的混合溶劑中合成NiCo?O?雙殼空心球，隨后進行退火處理。異丙醇在鎳和鈷的沉淀過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而熱處理過程中甘油準乳液的收縮導致了雙殼納米結(jié)構(gòu)的形成。所合成的產(chǎn)物作為鈉離子電池負極材料進行測試，在100 mA g?1電流密度下表現(xiàn)出511 mAh g?1的高可逆比容量，并在100次循環(huán)后保持高容量保持率。

研究背景與解決的問題

三元過渡金屬氧化物NiCo?O?因其高理論容量和優(yōu)異的電導率，被認為是一種有前景的鈉離子電池負極材料。

設備應用與實驗條件

項目參數(shù)
溫度180°C
時間30 min / 20 min / 6 h

關(guān)鍵結(jié)果

脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積 30.7 m2 g-1
高可逆放電容量 341 mAh g-1
高可逆比容量 511 mAh g-1
庫侖效率 63%
指標結(jié)果
脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積30.7 m2 g-1
高可逆放電容量341 mAh g-1
高可逆比容量511 mAh g-1
庫侖效率63%
保持率66%
退火得到直徑1 μm

機制/方法亮點

  • 本研究揭示了微波輔助溶劑熱法合成NiCo?O?雙殼空心球的作用機制： 異丙醇的還原作用：異丙醇在180°C下與NO??發(fā)生氧化還原反應，將NO??還原為NH?·H?O，同時釋放OH?使Ni2?和Co2?共沉淀形成NiCo DH。對照實驗證實，以DI H?O替代異丙醇或以Cl?替代NO??時均無沉淀產(chǎn)生，證明異丙醇對NO??的還原及NiCo DH的形成是沉淀的主要原因。 甘油的模板效應：甘油分子在異丙醇中通過強分子間氫鍵自組裝為準乳液，作為軟模板引導NiCo DH生長形成球形結(jié)構(gòu)。退火過程中甘油因氧化失重而收縮，帶動嵌入的NiCo DH向中心移動，形成雙殼空心結(jié)構(gòu)。無甘油時得到實心微球，證明甘油的模板效應對于空心結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。 溫度梯度的結(jié)構(gòu)調(diào)控：退火過程中的徑向溫度梯度是形成殼層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。較低的升溫速率（1°C min?1）使溫度梯度適中，表面形成薄殼的同時內(nèi)部甘油有時間收縮，從而形成雙殼空心結(jié)構(gòu)。較高的升溫速率導致更大的溫度梯度，表面更快形成厚殼，限制內(nèi)部收縮，最終得到實心球。 電化學性能提升機制：雙殼空心球結(jié)構(gòu)通過以下方式提升鈉存儲性能：大比表面積和 porous 結(jié)構(gòu)促進Na?滲透和電極材料與電解液之間的電化學反應，實現(xiàn)高比容量和優(yōu)異倍率性能
  • 空心結(jié)構(gòu)作為緩沖層抵抗鈉化/脫鈉過程中的體積變化，賦予出色的循環(huán)穩(wěn)定性
  • macropores 縮短Na?擴散路徑，加快反應動力學。

應用價值

  • 快速微波輔助合成：采用微波輔助溶劑熱法在30 min內(nèi)快速合成NiCo?O?雙殼空心球，相比傳統(tǒng)溶劑熱法所需的6 h大幅縮短反應時間，體現(xiàn)微波加熱的高效節(jié)能優(yōu)勢。
  • 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：成功構(gòu)筑NiCo?O?雙殼空心球納米結(jié)構(gòu)，外売約20 nm、內(nèi)殼約70 nm，這種獨特的多殼空心結(jié)構(gòu)為過渡金屬氧化物負極材料的設計提供了新思路。
  • 性能優(yōu)異：所合成的NiCo?O?雙殼空心球在100 mA g?1電流密度下實現(xiàn)511 mAh g?1的高可逆比容量，100次循環(huán)后容量保持341 mAh g?1（66%保持率），性能優(yōu)于多數(shù)已報道的NiCo?O?材料。
  • 機理系統(tǒng)研究：系統(tǒng)研究了異丙醇、NO??、甘油和升溫速率在雙殼空心球形成中的作用，揭示了各因素對結(jié)構(gòu)調(diào)控的影響規(guī)律，為類似納米結(jié)構(gòu)的合成提供了理論指導。
  • 微波設備應用：經(jīng)核實，研究實際使用祥鵠 XH-800G 微波水熱反應器進行微波溶劑熱合成，溫度從室溫升至180°C采用20 min升溫程序，有效避免微波加熱過程中的熱點效應和壓力異常升高，確保實驗安全性和重現(xiàn)性。

相關(guān)儀器推薦

常見問題

這篇論文使用了哪種設備？
本研究使用 XH-800S。
研究的核心發(fā)現(xiàn)是什么？
該研究發(fā)表于 nano-micro letters（2017），使用 XH-800S 開展 鈉離子電池、NiCo?O? 研究，關(guān)鍵結(jié)果包括脫附等溫線測得雙殼空心產(chǎn)物比表面積 30.7 m2 g-1；高可逆放電容量 341 mAh g-1；高可逆比容量 511 mAh g-1。
該研究發(fā)表在哪個期刊？
發(fā)表于 nano-micro letters，中科院 1 區(qū)。
引用信息
Microwave-Assisted Synthesis of NiCo2O4 Double-Shelled Hollow Spheres for High-Performance Sodium Ion Batteries
nano-micro letters, 2017
DOI: 10.1007/s40820-017-0164-2