杭州电子科技大学秦海英/胡小诗团队ACS AMI：毫秒级！分流电热冲击（SETS）技术实现原位超快速制备高能锂电池负极

     2024年04月11日

【科学背景】

目前，锂离子电池负极材料面临的主要问题包括合成成本高昂、合成过程复杂且耗时较长，这些都是可能导致新材料商业化应用受限的因素。这些问题的存在需要寻求更有效的合成方法和工艺优化，以推动电池技术的进步和提高其商业竞争力。同时，电极材料的结构改性设计对于锂离子电池的性能提升和技术进步也具有重要意义。

【科学贡献】

近期，杭州电子科技大学秦海英和胡小诗团队开发了一种超快高温热解方法，用于原位合成新型高性能金属氧化物基电极，具体通过铜基底和担载的前驱体-super P涂层的电阻差产生的分流效应，在涂层中Super P炭黑的焦耳热冲击作用下，实现了ZIF-67前驱体的原位闪蒸电热热解，可控制备了由超小(10~15 nm)亚晶CoO/Co@N-C纳米颗粒组成的多孔空心立方复合结构负极。采用电路理论的原理解释了焦耳热冲击过程背后的机制，并将该方法定义为“分流电热冲击”（Shunt-electrothermal Shock，SETS）技术。SETS每个加热周期约为0.2 ~ 0.3秒，高温持续时间约为0.02秒，升温速度惊人，达到6.9×10 ⁴ K/s。这种创新的方法在合成具有定制性能的先进材料方面具有巨大的潜力。它以较少的功率输入，完美地克服了传统高温煅烧方法热解时间长、能耗高的缺点，并且超快加热和冷却过程使得生成的CoO/Co@N-C电极材料具有超小颗粒粒径和较低结晶度等优势电化学结构特征，同时还完整保存了前驱体的结构形态。电化学测试结果表明，CoO/Co@N-C具有优异的电化学性能，在200 mA g^-1条件下，循环150次后的可逆容量高达1503.7 mA h g^-1，即使是在6 A/g的电流密度下，循环400次后的可逆容量仍可达434.1 mA h g^-1。研究发现，CoO/Co@N-C优异的储锂性能归功于以下几个方面：CoO/Co@N-C超小颗粒，缩短了锂离子扩散路径；低结晶的结构拥有丰富的缺陷和活性位点，促进锂离子传输和电化学反应；中空纳米结构缓解了体积效应；N-C包覆结构可以提高材料导电性，并抑制氧化钴活性颗粒聚集和体积膨胀；而单质钴的存在，进一步提高导电，并可引起自旋极化的表面赝电容，提供额外容量。

图1 分流电热冲击技术(SETS)合成过程及原理

图2 分流电热冲击技术的温度曲线及相应样品的表征

图3 CoO/Co@N-C复合材料的结构与特性表征

图4 CoO/Co@N-C的电化学性能

【创新技术】

SETS技术是一种新型的用于制备纳米材料的方法，通过将金属盐/金属氢氧化物/金属有机框架（MOF）等金属化合物前驱体与碳材料混合或者复合后，担覆在金属基底（铜箔、铝箔、不锈钢箔等）上，当在金属基底两端输入电流时，金属基底上方的前驱体复合材料因自身存在电阻而产生焦耳热，对前驱体产生热冲击，从而原位得到活性电极。

【科学启迪】

本文报道的原位分流电热冲击方法将活性材料的合成和电极片的制作集成到一个过程中，从而简化了电池制造的工艺过程，并获得了具有独特结构和优异性能的电极材料。由于该方法的简单性和可扩展性，可以设想将其应用于高性能金属氧化物基材料的合成，并在纳米制造过程中实现大规模生产。

原文详情：

Yan Wu, Qi Qi, Tianlang Peng, Junjie Yu, Xinyu Ma, Yizhuo Sun, Yanling Wang, Xiaoshi Hu*, Yongjun Yuan, Haiying Qin, In Situ Flash Synthesis of Ultra-High-Performance Metal Oxide Anode through Shunting Current-Based Electrothermal Shock, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 13, 16152–16163.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c19174.

文章来源：微信公众号【材料人】，原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/H-sGVSYkucTeKB6SxxJoyg