关于富含氧空位CoOOH纳米片锂离子电池负极的构建研究

来源：材料人

研究背景

锂离子电池作为便携式电子设备、电动汽车及电网储能等应用中最重要的组成部分而越来越重要，对其性能要求也越来越高。因此，对下一代高能量密度、高功率密度锂离子电池的开发及应用成为了研究热点。然而，商业化石墨负极材料理论比容量较低、倍率性能差等缺陷阻碍了其在高能量密度锂离子电池中的进一步发展。

目前，过渡金属氧化物负极材料由于具有较高的理论容量而受到广泛研究，但其电子电导率差和首次库伦效率低限制了其在高性能锂离子电池中的应用。氢基氧钴(CoOOH)由于具有优异的电导率(5 S cm−1)近年来在催化及储能领域引起了科研工作者们的广泛关注。作为锂离子电池负极材料时，CoOOH表现出与Co3O4相似的转化反应机制，但CoOOH的理论比容量(1457 mAh g−1)远高于Co3O4 (890 mAh g−1)。由于其较高的电导率，CoOOH负极材料比Co3O4具有更好的倍率性能。此外，CoOOH的理论比容量约为石墨的4倍，密度约为石墨的2倍，从而，CoOOH负极材料的单位体积能量密度约为石墨的8倍。因此，CoOOH是一种很有前景的高能量密度锂离子电池负极材料。

成果简介

近日，深圳大学刘剑洪、张黔玲课题组报道了一种采用水热法制备得到的性能优异的纳米片层状CoOOH负极材料。该CoOOH的纳米多孔层状结构和高电导率使其具有较高的初始放电容量(1478 mAh g−1)、首次库伦效率（90%）和优异的循环性能(300次充放电循环后为1588 mAh g−1)。实验结果和理论计算表明，CoOOH负极材料中的羟基官能团和丰富的氧空位有利于促进其与锂离子在转换反应过程中快速且完全地进行。本研究为过渡金属氢基氧化物锂离子电池负极材料的结构与性能之间的关系提供了新的认识。

该工作以“ Construction of cobalt oxyhydroxide nanosheets with rich oxygen vacancies as high-performance lithium-ion batteries anodes ” 为题发表在期刊 J. Mater. Chem. A 上，共同第一作者为深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生扶勇欢和博士后黎烈武。

图文导读

图1. CoOOH纳米片的制备流程图及水热氧化合成CoOOH纳米片的机理示意图。

图2.(a) CoOOH纳米片的SEM图像；(b) CoOOH 纳米片的高倍率图像；(c) CoOOH纳米片的TEM图像；(d) CoOOH纳米片的高分辨率TEM图像。

图3.(a) CoOOH纳米片的XRD谱图；(b) CoOOH, Co (OH)2和Co3O4的拉曼光谱图；(c) Co 2p和(d) O 1s的高分辨率XPS谱图；(e) CoOOH纳米片的EPR谱图；(f) CoOOH纳米片的氮气吸附-解吸等温线曲线和BJH孔径分布(插图)。

图4.(a) CoOOH电极在0.1 mV s-1时的CV曲线；(b) CoOOH电极在0.2 A g-1的第1，第2，第50和第100圈的电压容量曲线；(c) CoOOH，Co3O4和Co(OH)2电极在0.2 A g-1至5 A g-1之间的速率性能对比谱图；(d) CoOOH，Co3O4和Co（OH）2电极在0.2 A g-1下的循环性能图；(e) CoOOH电极在0.2 A g-1下的长期循环性能和相应的库仑效率图。

图5. CoOOH电极与Li+/Li的电化学行为的动力学分析。(a) 在0.1至1.5 mV s-1范围内的各种扫描速率下的CV曲线；(b) 根据(a)中的循环伏安图，利用峰值电流与扫描速率之间的关系确定b值；(c)以0.5 mV s-1的扫描速率赝电容效应的面积占比图；(d) 各种扫描速率下赝电容控制和扩散控制效应的贡献率。

总结

本文采用简单的水热法成功制备了CoOOH纳米片。用作锂离子电池负极材料时，与Co(OH)2和Co3O4负极相比较，CoOOH负极表现出更高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。实验结果和理论计算表明，CoOOH负极材料中的羟基官能团和丰富的氧空位有利于促进其与锂离子在转换反应过程中快速且完全地进行。这项研究为过渡金属羟基氧化物锂离子电池负极材料提供了新的设计思路。