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[交流]
【系列介紹】等離子輔助電極材料的合成與表面改性-鋰電池材料，電容材料
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一、鋰電池材料 提高能源利用效率和發(fā)展可再生能源成為未來的主要戰(zhàn)略。電池被認為是一種高效的能量存儲設(shè)備。等離子體作為制備高性能鋰電材料的技術(shù)已成為目前研究的熱點。 1、鋰電負極材料等離子體處理 鋰用作負極材料在充電/放電過程中與電解質(zhì)反應(yīng)，形成鋰膜導(dǎo)致電池安全性下降。當過渡金屬氧化物(包括Co，F(xiàn)e，Ni，Cu等)及IV和V組的材料(如Sn，Pb，Si等)用作鋰電陽極表現(xiàn)出高能量密度，容量是商業(yè)碳材料的2-3倍。然而，這些材料電導(dǎo)率低，動力學(xué)性能差，充電/放電循環(huán)期間發(fā)生嚴重的體積變化，限制了大規(guī)模應(yīng)用。 研究人員借助于等離子體對陽極材料進行改性或合成。在一定條件下通過氧等離子體處理可以將材料的表面從超疏水性改變?yōu)橛H水性。在大氣壓下通過Ar/N2等離子體輻射成功將N離子摻雜到鈦酸鋰的O位置，促進鋰的遷移，提高鈦酸鋰(Li4Ti5O12)負極材料容量(132mAh·g-1)，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在10C下經(jīng)過100次循環(huán)后幾乎沒有容量衰減。氟化石墨也可通過等離子體處理，實現(xiàn)了372mAh·g-1的優(yōu)異容量，該容量接近于理論石墨容量。 圖1 LTO和P-LTO在(a)1C，(b)5C和(c)10C下的循環(huán)性能 等離子體合成電極材料也是鋰離子電池領(lǐng)域的重要應(yīng)用，H2等離子體還原氧化石墨烯上的β-FeOOH，使得石墨烯中孔中接枝Fe3O4納米棒。由于不同尋常的納米結(jié)構(gòu)，其顯示出優(yōu)異的電容性，短的鋰離子擴散路徑，更高的穩(wěn)定性。所制備的雜化體在500mA·g-1的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)后表現(xiàn)出穩(wěn)定的890mA·g-1的高容量。 電極材料的體積在充電/放電過程中急劇變化，引起電極材料破碎，進一步限制了電池的穩(wěn)定性，制備具有合理結(jié)構(gòu)以緩沖體積變化的電極材料非常重要。在等離子的幫助下，球磨可以有效而迅速的合成特殊結(jié)構(gòu)納米材料。等離子輔助球磨是合成幾層石墨烯包裹的Fe2O3的簡便方法，該納米結(jié)構(gòu)不僅可以增強導(dǎo)電性，還可以防止由于緊密包裹而引起的體積變化和粉化。作為陽極材料，在300個循環(huán)后200mA·g-1時仍可保持758mAh·g-1的可逆容量，這相當于其理論容量的88％(圖2c)。通過等離子球磨合成的石墨包裹的錫和氧化錫在70個循環(huán)后， 250 mA·g-1時表現(xiàn)出500mAh·g-1的高容量。等離子球磨法還制備了石墨烯包裹的Si和Ge納米顆粒。 圖2(a)制備Fe2O3-FLG復(fù)合材料的示意圖(b)P20的倍率性能(c)在200mA·g-1下測試的P研磨樣品和原始Fe2O3樣品的循環(huán)充放電容量，插圖是P20的電勢與容量曲線(d)尖晶石型LiMn2O4和LiMn2O4-xSx的結(jié)構(gòu)(e)鋰離子電池中LMO-8h和PLA-LMO-S在0.2C時的放電曲線(f)60個循環(huán)的相應(yīng)循環(huán)穩(wěn)定性 CVD工藝中的輝光放電有助于制備薄膜材料。使用PECVD可制備氮化硅作為鋰電負極材料。N2作為惰性氣體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此采用等離子體來輔助氮的活化。所制備的氮化硅顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能，這是由于中間體(Li3N)阻止了Si納米顆粒的聚集。離子轟擊在基底上產(chǎn)生緊密的粘附，循環(huán)壽命增長。氮化物陽極在300次循環(huán)后顯示出1800mAh·g-1的穩(wěn)定可逆容量，容量保持率為86％。等離子體輔助是合成陽極材料的一種潛在且有效的策略。 2、鋰電正極材料等離子體處理 層狀LiCoO2具有高功率，但生產(chǎn)LiCoO2的價格高昂，促使其他研究人員開發(fā)了替代性的低成本LiNiO2和LiMn2O4替代LiCoO2。等離子體技術(shù)可以用于制備和改性LiMn2O4，是促進鋰離子電池發(fā)展非常重要的方法。 LiMn2O4和LiMnO2具有良好的電化學(xué)性能，低成本，良好的熱穩(wěn)定性，高能量密度等，是鋰離子電池中優(yōu)異的正極材料。通過等離子改性方式，獲得硫化鋰LiMn2O4-xSx作為鋰電陰極材料。由于硫摻雜，晶格發(fā)生了變化，具有125.3mAh·g-1的高容量，并顯著改善了循環(huán)穩(wěn)定性(如圖2f所示，在60次循環(huán)后仍保持其初始放電容量的97.76％)。 3、等離子處理制備Li-S電池材料 Li-S電池使用硫作為正極材料，使用鋰作為負極材料。Li-S電池具有更高的比容量和比能量密度，但問題也很突出，例如形成的多硫化鋰很容易溶解在電解液中；S的低電導(dǎo)率會限制電池性能，并且在充放電過程中硫的含量會急劇變化，導(dǎo)致電池性能下降，損壞電池。等離子技術(shù)作為一項創(chuàng)新技術(shù)可優(yōu)化Li-S材料性能。 為防止多硫化鋰的擴散，通過修飾引入官能團，有效地解決上述問題。通過等離子體增強原子層沉積方法將均勻的氧化鋁涂覆在硫表面上，顯示出約350-450 mAh·g-1的初始容量，300mAh·g-1以上可高溫循環(huán)470圈。 二、 超級電容器材料等離子處理 電化學(xué)雙層電容器(EDLC)和偽電容器可以提供比電池更高的功率，但表面電荷存儲的限制使容量遠遠低于電池。使用等離子體處理，可以在電極材料的表面上產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)，改善超級電容器的性能。 1、碳材料超級電容器材料等離子處理 電容材料主要包括幾種碳材料，例如活性碳，碳納米管和石墨烯等。通過等離子體處理碳材料摻雜雜原子促使假電容現(xiàn)象發(fā)生在電極表面。使用了具有各種反應(yīng)性氣體(如O2，Ar和CO2)的DBD等離子體來改性碳材料，與原始材料相比，處理后獲得的材料包含更多的-COOH基團。通過使用等離子體技術(shù)，雜原子可以成功地摻雜到碳材料中，從而增強電容性能。 圖3 氫氣等離子體處理30s，60s(GO轉(zhuǎn)變?yōu)镚S)和1800s時的GO和GS K-edge XANES譜圖 2、金屬氧化物超級電容器電極等離子體處理 金屬氧化物是另一類顯示偽電容行為的常規(guī)材料。金屬氧化物/碳材料混合體是超級電容器中最有價值的電極材料。Hummers法制得MnSO4/GO，然后用空氣等離子體處理復(fù)合材料形成Mn3O4，然后用等離子體還原形成的GO/Mn3O4雜化物。當用作中性電解質(zhì)溶液中的電極材料時，電容達到193F·g-1。這表明將石墨烯與附著的Mn3O4結(jié)合在一起可以為高性能超級電容器提供有效的電極。 以上成果來自于 Lan C K , Chuang S I , Bao Q , et al. One-step argon/nitrogen binary plasma jet irradiation of Li4Ti5O12 for stable high-rate lithium ion battery anodes[J]. Journal of Power Sources, 2015, 275. Yang J , Guzman R C D , Salley S O , et al. Plasma enhanced chemical vapor deposition silicon nitride for a high-performance lithium ion battery anode[J]. Journal of Power Sources, 2014, 269(dec.10):520-525. Zhou Q , Zhao Z , Chen Y , et al. Low temperature plasma-mediated synthesis of graphene nanosheets for supercapacitor electrodes[J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(13):6061. Dou S , Tao L , Wang R , et al. Plasma-Assisted Synthesis and Surface Modification of Electrode Materials for Renewable Energy[J]. Advanced Materials, 2018, 30(21):1705850.1-1705850.24. |
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