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这些过渡金属氮化物让锂离子电池的综合性能更加卓越
2018月01月26日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:1273
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碳材料是目前使用最为广泛的锂离子电池负极材料,具有良好的循环性能,其理论容量小(372mAh/g体积比容量低,难以满足各类电子产品、电动汽车等电池的高容量要求。近年来,一些非碳基材料由于具有高的比容量,特别是体积比容量,较低的脱嵌电位及优异的安全性能,已经成为锂离子电池负极材料研究的热点对象之一。

众多的非碳基负极材料中,过渡金属氮化物因具有低而平的充放电电位平台,高度可逆的反应特性与容量大的特点而受到广泛的关注。此外,过渡金属氮化物的高熔点和卓越的电化学惰性,利于其电极材料在潮湿及腐蚀坏境中稳定工作。下文将对部分过渡金属氮化物材料:氮化铁氮化钴氮化镍的特性及应用做简单的介绍。

1、氮化

氮化铁,包含Fe2NFe3N1 + xFe3NFe16N2等结构,灰色粉末,不溶于水,受热易分解。因其具有较高的比容量以及高充放电效率,良好的循环稳定性,经碳包覆后可应用于锂离子电池负极材料。此外,还可用作硬磁和软磁性材料、信息记录材料、磁性密封液和催化材料等。

 

氮化铁电镜图及XRD图谱

举例:大连理工大学在期刊《Nano Energy》上发表了名为“Fe3N constrained inside C nanocages as an anode for Li-ion batteries through post-synthesis nitridation”的研究成果。该项研究针对锂离子二次电池在循环过程中活性物质严重体积膨胀造成电极粉化失效的瓶颈问题,提出了碳约束氮化铁纳米核壳结构。

该结构不仅有效抑制内部活性物质在充放电过程中发生的体积变化,同时表面多缺陷碳层为界面电荷快速转移提供有效路径。实验证明,在500次循环中电池仍能维持工作容量,未发现明显衰减。

 

2氮化钴

氮化钴,包含CoNCo2NCo3N结构,灰黑色粉末,受热易分解,易受盐酸、硝酸腐蚀,具有很高的可逆放电容量,在锂离子电池电极材料方面有很好的应用,同时可用作储能材料、催化剂等。

 

氮化钴电镜图及XRD图谱

3氮化镍

氮化镍,灰黑色粉末,在潮湿空气中稳定,溶于浓盐酸和浓硫酸。因其具有比容量大,可逆循环性好可用于锂离子电池电极材料还可用作薄膜材料、PVD图层、电镀原料等。

  

氮化镍电镜图及XRD图谱

举例:在“可用作电池阳极材料的过渡金属氮化物薄膜及其制备方法”复旦大学专利CN1447463中有提到:研究人员在氮气氛中采用激光反应性沉积制得粒子尺寸为20-50nm的多晶立方结构Co3NFe3NNi3N薄膜。

使用上述薄膜做成的电极,分别与金属锂组成电极后,放电平台出现在0.64V0.70V0.92V左右(相当于Li/Li+。在电压范围0.01-3.5V和电流密度7μA/cm2时,都有良好的充放电循环可逆性比容量保持在420440mAh/g循环80次后的可逆容量损失小于5%,比其他各种阳极薄膜材料更具优越性。 

本文部分素材及图片提供:河北利福光电技术有限公司。

河北利福光电技术有限公司目前已开发氮化物产品40余种,可为客户定制各种纳米和亚微米级的各类氮化物,可用于LED荧光粉,锂电池、储能材料、催化剂等。近期,河北利福光电又成功开发了氮化铁、氮化钴、氮化镍等氮化物产品,可以满足批量供货的需求。

 

参考资料

1、《Nano Energy》—Fe3N constrained inside C nanocages as an anode for Li-ion batteries through post-synthesis nitridation.

2、专利CN1447463:可用作电池阳极材料的过渡金属氧化物薄膜;发明人:傅正文、秦启宗、赵胜利、岳小力等;复旦大学。

3、过渡金属氮化物在锂离子电池中的应用;作者:陈汝文,涂新满等;南昌航空大学环境与化学工程学院。

 

编辑:粉体圈小白

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