张浩力教授、彭勇教授、王强教授， JMCA观点：用于高效锂离子存储的中空NiOCarbon绒球

张浩力教授、彭勇教授、王强教授合作在JMCA发表关于中空NiO/Carbon绒球用于高效锂离子存储的研究。研究背景与目的中空结构具有大表面积、低堆积密度和短电荷传输路径等特点，可有效缓解锂离子电池电极材料体积膨胀引起的应力。设计高暴露表面积和活性位点的中空结构是提高NiO基材料锂离子存储性能的有效途径。然而，简单NiO空心结构存在稳定性差和导电性差等缺点，限制了其能量密度和长循环性能。为克服这些障碍，构建空心杂化结构，将NiO嵌入导电碳中，利用碳材料的协同效应促进电子传输，是提高性能的关键。研究旨在制备具有良好锂离子存储性能的中空绒球状NiO碳复合材料，并探索其合成方法及性能表现。研究方法材料制备：以硝酸镍和离子液体作为前驱体，采用溶剂热法成功制备出中空绒球状无定形材料(amNiC)，随后在320℃下热处理1小时，得到中空绒球状NiO/NDC材料。形貌与结构表征：利用SEM、TEM、SAED、HETEM、FFT、EDS和Mapping等手段对中空绒球状NiO/NDC材料进行形貌与结构表征，表明其被成功制备。原子结构研究：通过球差校正电镜在原子尺度上表明NiO为立方晶体结构，可以清楚地看到Ni原子列被4个O原子列包围。四个O原子组成一个矩形，代表了立方结构中O2-的占用率。通过原子元素分布图像进一步确定了Ni和O原子的精确位置。原位电镜研究：原位TEM实时监测了从非晶amNiC到NiO/NDC的转化过程，揭示了形貌演变和中空绒球状结构的优化机制。电化学性能表征及动力学分析：将所合成材料制成电极，进而组装成锂离子电池，对其储锂性能进行了表征。通过CV、EIS、GITT等对电极的反应动力学进行了分析。理论计算：通过能带、态密度、吸附能和扩散能垒等理论计算，揭示了NiO/NDC材料性能提升的机制。研究结果形貌与结构：成功制备了中空绒球状NiO/NDC材料，具有独特的分层结构和组成。原子结构：NiO为立方晶体结构，Ni原子列被4个O原子列包围，四个O原子组成一个矩形，代表了立方结构中O2-的占用率。形貌演变：原位TEM监测显示，中空绒球状amNiC在加热过程中逐渐收缩，表面变得粗糙，最终形成中空绒球状NiO/NDC结构。电化学性能：中空绒球状NiO/NDC材料表现出优越的电化学活性（1014 mA h g -1@0.5C）和倍率性能（246 mA h g -1@5C），相比于NiO，NiO/NDC电极表现出更高的赝电容、更快的电荷转移和锂离子扩散动力学。理论计算结果：能带表明，NiO/NDC比NiO具有更小的带隙和更高的费米能，说明NDC显著提高了NiO的导电性。DOS表明，NiO/NDC比NiO表现出更高的费米能，这表明NDC导致了NiO从价带进入导电区，进而变得更金属化。NiO/NDC比NiO结构具有更高的锂吸收能。NiO/NDC和NiO的迁移路径和扩散能垒得出，NiO/NDC的扩散能垒低于NiO。 这意味着锂原子可以有效地吸附到NiO/NDC中，并在结构中快速迁移。研究意义本研究为制备新型中空绒球状NiO复合材料用于锂离子储存开辟了一条新途径，提供了低成本、高效的策略。中空绒球状NiO/NDC材料在锂离子电池负极材料领域具有潜在的应用价值，其独特的分层结构和组成赋予材料较高的比容量和倍率性能。