我所研制出二維單晶鈷酸鋰儲鋰新材料

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近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊在構筑兼具高容量、高倍率的二維單晶鈷酸鋰研究方面取得新進展，研制出一種超薄二維單晶鈷酸鋰正極新材料，提升了其平臺容量、首次充放電庫倫效率及循環穩定性等，并進一步組裝出高能量密度和高功率密度的電池型超級電容器。

鈷酸鋰是一種非本征贗電容材料，納米晶鈷酸鋰中的納米尺寸效應可同時影響表面氧化還原和Li⁺嵌入過程。隨著晶粒尺寸的減小，更多的Li⁺嵌入過程被表面氧化還原過程取代，從而導致平臺容量降低、初始庫侖效率低和循環性能差等缺點，限制了納米結構鈷酸鋰材料在高性能電池型超級電容器中的廣泛應用。

本工作中，該團隊通過精確調控Li⁺嵌入距離和暴露平面，合成了微米尺寸（001）取向的單晶鈷酸鋰納米片（SC-LCO），以最大限度地減弱納米尺寸效應。研究發現，與初級粒子隨機堆積的介孔納米晶鈷酸鋰納米片（NC-LCO）相比，SC-LCO具有更長的Li⁺嵌入距離和更穩定的（001）面主導晶面。值得注意的是，SC-LCO在1C時的放電容量和庫侖效率（194mAh/g，92％）均高于NC-LCO（173mAh/g，86％），且SC-LCO在1C至50C倍率下的放電容量始終高于NC-LCO。同時，SC-LCO的循環性能也顯著提高，其在5C下循環500次后的比容量可保持到151mAh/g（容量保持率為83%），優于NC-LCO（84mAh/g，63%）。研究還發現，介孔TiNb₂O₇納米片（mTNO）負極的容量和動力學在不同倍率下與SC-LCO正極匹配，可實現高比能和高功率電池型超級電容器（243.8Wh/kg@692.7W/kg和15kW/kg@151.3Wh/kg）。此外，團隊利用該二維單晶鈷酸鋰新材料，組裝了mTNO||SC-LCO軟包型全電池，證明了該策略的實用性。

相關研究成果以“Regulating the Nanosize Effect of LiCoO₂ for High-Performance Battery-Supercapacitor Hybrid Devices”為題，于近日發表在ACS Energy Letters上。該工作的第一作者是我所508組博士研究生邢菲菲。上述工作得到了國家自然科學基金、延長石油-大連化物所探索性科研項目、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 邢菲菲）

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02196