目前，鋰離子電池發(fā)展所面臨著一個主要問題在于：相比于負(fù)極材料，正極材料的容量普遍偏低。V2O5由于具有較高的理論容量，被廣泛視為一種具有前景的鋰離子電池正極材料。然而，由于V2O5較差的容量保持率和低倍率性能，使得其在鋰離子電池中的實(shí)際應(yīng)用困難重重。

有鑒于此，近日，中國科學(xué)院大學(xué)的王丹教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種利用碳微球作為模板，基于金屬陰離子吸附機(jī)理制備的中空多殼層V2O5微球。這種方法與常規(guī)的金屬陽離子吸附機(jī)理大不相同。按照傳統(tǒng)的陽離子吸附方法，所制備的V2O5往往只是單殼的空心微球結(jié)構(gòu)。

圖1制備中空多殼層微球的2種策略

在這一工作中，研究者通過控制前驅(qū)體濃度、吸附溫度、吸附時間、溶劑和熱處理過程這五種不同的參數(shù)，制備了一系列不同結(jié)構(gòu)的V2O5空心微球(如圖2)。礬離子滲透入碳微球中作為催化劑，促進(jìn)熱處理過程中碳微球的燃燒。由于碳微球燃燒過程中礬基催化劑逐漸釋放并結(jié)晶成V2O5，進(jìn)一步起到催化燃燒的作用。

這一過程類似于希臘神話中士兵從特洛伊木馬中出現(xiàn)的情景，因此被作者稱為特洛伊催化燃燒過程(Trojancatalyticcombustionprocess)。雖然不同的方法可能會得到相似的結(jié)構(gòu)，例如多腔空心微球及雙殼V2O5空心微球，但不同方法制備的三殼V2O5空心微球卻有所不同：通過三次重復(fù)吸附過程制備的三殼空心微球具有更厚的殼層，這可能是由于通過三次重復(fù)吸附操作的手段不如其他方式那樣連續(xù)，減弱了特洛伊催化效果和殼層的分離。

圖2制備條件對產(chǎn)物形貌的影響

隨后研究者將所制得的三殼V2O5空心微球作為鋰離子電池正極進(jìn)行電化學(xué)性能表征，研究發(fā)現(xiàn)，這種多殼層的V2O5中空微球在1000mAg-1條件下首次比容量高達(dá)447.9mAhg-1，且循環(huán)100次后，比容量保持在402.4mAhg-1。顯著高于其他V2O5空心結(jié)構(gòu)。

圖3多殼層V2O5中空微球的電化學(xué)性能

因此，使用這種碳微球模板基于金屬陰離子吸附機(jī)理制備手段，可以獲得一系列多殼層金屬氧化物中空微球(V2O5、MnO2、MoO3、Cr2O3、WO3等)，克服了以前實(shí)驗(yàn)方案的局限，極大地豐富了金屬氧化物空心微球的類別。這種多殼層金屬氧化物中空微球正極材料顯著地降低了正負(fù)極材料之間容量的差距，為下一代鋰離子電池的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的渠道。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于知名期刊NatureEnergy上。(DOI:10.1038/NENERGY.2016.50Multi-shelledmetaloxidespreparedviaananion-adsorptionmechanismforlithium-ionbatteries.JiangyanWang,HongjieTang,LijuanZhang,HaoRen,RanboYu*,QuanJin,JianQi,DanMao,MeiYang,YunWang,PorunLiu,YuZhang*,YurenWen,LinGu,GuanghuiMa,ZhiguoSu,ZhiyongTang,HuijunZhaoandDanWang*)