中空多壳层CoFe2O4的制备及锂离子电池性能研究

doi:10.7503/cjcu20220453

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 20220453.doi: 10.7503/cjcu20220453

中空多壳层CoFe₂O₄的制备及锂离子电池性能研究

毕如一¹^,², 赵吉路², 王江艳²^,³(), 于然波¹(), 王丹²^,³()

^1.北京科技大学冶金与生态工程学院物理化学系, 北京 100083
^2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100190
^3.中国科学院大学化学工程学院, 北京 100049

收稿日期:2022-06-29 出版日期:2023-01-10 发布日期:2022-07-28
通讯作者: 王江艳,于然波,王丹 E-mail:jywang@ipe.ac.cn;ranboyu@ustb.edu.cn;danwang@ipe.ac.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(21820102002);中国科学院洁净能源创新研究院合作基金(DNL202020);国家重点研发计划项目(2021YFC2902500)

Synthesis and Lithium-ion Battery Performance of Hollow Multishelled CoFe₂O₄

BI Ruyi¹^,², ZHAO Jilu², WANG Jiangyan²^,³(), YU Ranbo¹(), WANG Dan²^,³()

^1.Department of Physical Chemistry，School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^2.State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^3.School of Chemical Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2022-06-29 Online:2023-01-10 Published:2022-07-28
Contact: WANG Jiangyan, YU Ranbo, WANG Dan E-mail:jywang@ipe.ac.cn;ranboyu@ustb.edu.cn;danwang@ipe.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21820102002);the Cooperation Fund of the Institute of Clean Energy Innovation, Chinese Academy of Sciences(DNL202020);the National Key R&D Program of China(2021YFC2902500)

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摘要/Abstract

摘要：

以二元金属氧化物CoFe₂O₄为研究对象, 通过次序模板法制备了CoFe₂O₄中空多壳层结构(HoMS)材料; 对其形貌、结构进行了表征; 考察了壳层结构与电化学性能之间的关系. 电化学测试结果表明, 双壳层-核CoFe₂O₄中空球具有最高的放电比容量(1354.4 mA·h/g)、优异的倍率性能和循环稳定性，其独特的结构优势和最优的空腔体积占有率使其在多次循环过程中能始终保持结构和电化学性质的稳定.

关键词: 中空多壳层结构, CoFe₂O₄, 锂离子电池, 比容量, 循环稳定性

Abstract:

Binary transition metal oxides have attracted significant attention as high-performance lithium ion battery electrode materials， due to their excellent electrochemical activities. However， the poor cycling stability of the material limits its practical application. In this study， we synthesized CoFe₂O₄ hollow multishelled structure（HoMS） material by sequential templating approach， and characterized its morphology and structure. In addition， the relationship between shell structure and battery performance is well studied. It is demonstrated that double-shelled core CoFe₂O₄ HoMS has the highest discharge capacity（1354.4 mA·h/g）， excellent rate performance and cycle stability. The outstanding electrochemical performance is mainly attributed to its unique structural advantages and optimal cavity volume occupancy， which enables it to maintain good structure stability and beneficial electrochemical properties during the repeated cycling.

Key words: Hollow multishelled structure, CoFe₂O₄, Lithium-ion battery, Specific capacity, Cycling stability

中图分类号:

O646

TrendMD:

毕如一, 赵吉路, 王江艳, 于然波, 王丹. 中空多壳层CoFe₂O₄的制备及锂离子电池性能研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220453.

BI Ruyi, ZHAO Jilu, WANG Jiangyan, YU Ranbo, WANG Dan. Synthesis and Lithium-ion Battery Performance of Hollow Multishelled CoFe₂O₄. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220453.

图/表 8

Fig.8 Schematic illustration for the changes of CoFe2O4 HoMS during cycling testing

Fig.1 TEM(A—D) and SEM(E—H) images of CoFe2O4 HoMS（A， E） 1S-CoFe2O4-HS；（B， F） 1SC-CoFe2O4 HoMS；（C， G） 2SC-CoFe2O4 HoMS；（D， H） 3SC-CoFe2O4 HoMS.

Fig.2 XRD patterns(A) and Raman spectra(B) of different shelled CoFe2O4 HoMS

Fig.3 XPS spectra of Co2p (A) and Fe2p (B) for the 2SC⁃CoFe2O4 HoMS

Fig.4 CV curves(A) of 2SC⁃CoFe2O4 HoMS electrode at 0.1 mV/s and charge/discharge curves(B) of the 2SC⁃CoFe2O4 HoMS electrode under 0.1 A/g

Fig.5 Rate capability of various CoFe2O4 HoMS and CoFe2O4 NS(A), discharge capacity versus cycle number for various CoFe2O4 HoMS and CoFe2O4 NS at 2 A/g(B)

Fig.6 EIS spectra of various CoFe2O4 HoMS and CoFe2O4 NS(A) and EIS for 2SC⁃CoFe2O4 HoMS at different cycle status(B)

Fig.7 SEM images of 2SC⁃CoFe2O4 HoMS(A) and 3SC⁃CoFe2O4 HoMS(B) after 100 cycles

参考文献 37

1	Kang K.， Meng Y. S.， Breger J.， Grey C. P.， Ceder G.， Science， 2006， 311（5763）， 977—980
2	Cao W.， Li Q.， Yu X.， Li H.， eScience， 2022， 2， 47—78
3	Wang C.， Wang J. Y， Hu W. P.， Wang D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2020， 36（1）， 68—73
4	Wang X. H.， Qiao L.， Sun X. L.， Li X. W.， Hu D. H.， Zhang Q.， He D. Y.， J. Mater. Chem. A， 2013， 1（13）， 4173—4176
5	Liu H. D.， Hu Z. L.， Su Y. Y.， Ruan H. B.， Hu R.， Zhang L.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 392， 777—784
6	Jiang Y. Z.， Zhang D.， Li Y.， Yuan T. Z.， Bahlawane N.， Liang C.， Sun W. P.， Lu Y. H.， Yan M.， Nano Energy， 2014， 4， 23—30
7	Chen X. M.， Guan X. F.， Li L. P.， Li G. S.， Zheng J.， Chem. J. Chinese Universities， 2011， 32（3）， 624—629
	陈小梅，关翔锋，李莉萍，李广社，郑菁. 高等学校化学学报， 2011， 32（3）， 624—629
8	Zhao X. X.， Wang J. Y.， Yu R. B.， Wang D.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（49）， 17114—17119
9	Qi Y.， Liu B. Q.， Zhang L. Y.， Huo Y. Q.， Li L.， Xie H. M.， Wang C. G.， Su Z. M.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（41）， 21994—22003
10	Abdel Hamid A. A.， Mendoza⁃Garcia A.， Ying J. Y.， Nano Energy， 2021， 106860
11	Liu Y.， Jiao Y.， Zhou H. Y.， Yu X.， Qu F. Y.， Wu X.， Nano⁃Micro Lett.， 2015， 7（1）， 12—16
12	Cabelguen P. E.， Peralta D.， Cugnet M.， Maillet P.， J. Power Sources， 2017， 346， 13—23
13	Li B.， Wang J. Y.， Bi R. Y.， Yang N. L.， Wan J. W.， Jiang H. Y.， Gu L.， Du. J.， Cao A. M.， Gao W.， Wang D.， Adv. Mater.， 2022， 34（8）， 2200206
14	Cai Z. X.， Wang Z. L.， Kim J.， Yamauchi Y.， Adv. Mater.， 2019， 31（11）， 1804903
15	Shen L. S.， Song H. W.， Yang G. Z.， Wang C. X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2015， 7（21）， 11063—11068
16	Zhao J. L.， Wang J. Y.， Bi R. Y.， Yang M.， Wan J. W.， Jiang H. Y.， Gu L.， Wang D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（49）， 25719—25722
17	Wang Y.， Chen L.， Liu H. T.， Xiong Z. M.， Zhao L.， Liu S. H.， Huang C. M.， Zhao Y. M.， Chem. Eng. J.， 2019， 356， 746—755
18	Li B.， Bi R. Y.， Yang M.， Gao W.， Wang J. Y.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 586， 152836
19	Cheng W.， Chen C. L.， Yu Y.， Li C. G.， Gao L.， Shi Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（8）， 1303—1308
	成巍，陈彩玲，于影，李春光，高路，施展. 高等学校化学学报， 2017， 38（8）， 1303—1308
20	Bi R. Y.， Xu N.， Ren H.， Yang N. L.， Sun Y. G.， Cao A. M.， Yu R. B.， Wang D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（12）， 4865—4868
21	Guo B. B.， Li C.， Wu H. R.， Chen J. H.， Wang J. L.， Wei H.， Mai Y. Y.， CCS Chem.， 2021， 3（5）， 1410—1422
22	Wang J. Y.， Wan J. W.， Yang N. L.， Li Q.， Wang D.， Nat. Rev. Chem.， 2020， 4（3）， 159—168
23	Pang C. L.， Song H. W.， Li N.， Wang C. X.， RSC Adv.， 2015， 5（9）， 6782—6789
24	Wei W.， Wang Z. H.， Liu Z.， Liu Y.， He L.， Chen D. Z.， Umar A.， Guo L.， Li J. H.， J. Power Sources， 2013， 238， 376—387
25	Wang J. Y.， Yang M.， Wang D.， Chin. J. Chem.， 2022， 40， 1190—1203
26	Mao D.， Wan J. W.， Wang J. Y.， Wang D.， Adv. Mater.， 2019， 31（38）， 1802874
27	Wang J. Y.， Wang Z. M.， Mao D.， Wang D.， Sci. China Chem.， 2021， 1—13
28	Bi R. Y.， Mao D.， Wang J. Y.， Yu R. B.， Wang D.， Acta Chim. Sin.， 2020， 78（11）， 1200—1212
	毕如一，毛丹，王江艳，于然波，王丹. 化学学报， 2020， 78（11）， 1200—1212
29	Xu S. M.， Hessel C. M.， Ren H.， Yu R. B.， Jin Q.， Yang M.， Zhao H. J.， Wang D.， Energy Environ. Sci.， 2014， 7（2）， 632—637
30	Wang Z.， Jia W.， Jiang M. L.， Chen C.， Li Y. D.， Nano Res.， 2016， 9（7）， 2026—2033
31	Lavela P.， Tirado J. L.， J. Power Sources， 2007， 172（1）， 379—387
32	Rai A. K.， Gim J.， Thi T. V.， Ahn D.， Cho S. J.， Kim J.， J. Phys. Chem. C， 2014， 118（21）， 11234—11243
33	Wu K. P.， Liu D. W.， Tang Y.， Electrochim. Acta， 2018， 263， 515—523
34	Zhao J. L.， Yang M.， Yang N. L.， Wang J. Y.， Wang D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2020， 36（3）， 313—319
35	Wang J. Y.， Tang H. J.， Wang H.， Yu R. B.， Wang D.， Mater. Chem. Front.， 2017， 1（3）， 414—430
36	Wang J. Y.， Cui Y.， Wang D.， Adv. Mater.， 2019， 31（38）， 1801993
37	Ren H.， Yu R. B.， Inorg. Chem. Front.， 2019， 6（9）， 2239—2259

[1]	胡诗颖, 沈佳艳, 韩峻山, 郝婷婷, 李星. CoO纳米颗粒/石墨烯纳米纤维复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220462.
[2]	张玲玲, 董欢欢, 何祥喜, 李丽, 李林, 吴星樵, 侴术雷. 中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220620.
[3]	赵霄朗, 杨梅, 王江艳, 王丹. 富锂正极材料结构设计和表面调控的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220263.
[4]	黄田野, 杨梅, 王江艳, 张少军, 杜江, 王丹. 铁酸镍/碳复合中空多壳层结构的制备及吸波性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220276.
[5]	贾洋刚, 邵霞, 程婕, 王朋朋, 冒爱琴. 赝电容控制型钙钛矿高熵氧化物La(Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2)O₃负极材料的制备及储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220157.
[6]	鲍俊全, 郑仕兵, 苑旭明, 史金强, 孙田将, 梁静. 有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2911.
[7]	李辉阳, 朱思颖, 李莎, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池硅氧化物负极首次库伦效率的影响因素与提升策略[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2342.
[8]	卓增庆, 潘锋. 基于软X射线光谱的锂电池材料的电子结构与演变的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2332.
[9]	吴卓彦, 李至, 赵旭东, 王倩, 陈顺鹏, 常兴华, 刘志亮. 一步法高效制备纳米Si/C复合材料及其在高性能锂离子电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2500.
[10]	易聪华, 苏华坚, 钱勇, 李琼, 杨东杰. 木质素纳米炭的制备及作为锂离子电池负极的性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1807.
[11]	毛尔洋, 王莉, 孙永明. 锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1552.
[12]	刘铁峰, 张奔, 盛欧微, 佴建威, 王垚, 刘育京, 陶新永. 硅负极黏结剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1446.
[13]	张振, 毛丹, 杨梅, 于然波. 中空多壳层结构在电磁波领域中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1395.
[14]	王弈艨, 刘凯, 王保国. 高镍三元正极材料的表面包覆策略[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1514.
[15]	李旭, 王晓一, 孙洁. 二次离子电池高比容量负极碳载体的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1543.

中空多壳层CoFe₂O₄的制备及锂离子电池性能研究

Synthesis and Lithium-ion Battery Performance of Hollow Multishelled CoFe₂O₄

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