中國(guó)粉體網(wǎng)訊 伴隨高能耗電子設(shè)備及電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，高能量、高功率、長(zhǎng)續(xù)航鋰離子電池的開(kāi)發(fā)已成為當(dāng)前能源研究領(lǐng)域最具活力與挑戰(zhàn)性的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。電極材料是決定鋰離子電池性能的核心關(guān)鍵材料，基于石墨類(lèi)負(fù)極材料與嵌鋰金屬氧化物正極材料的商業(yè)化鋰離子電池之能量密度僅能達(dá)到100-120 Wh kg-1左右，性能差強(qiáng)人意。因此，迫切需要發(fā)展能量密度數(shù)高、綜合使役性能優(yōu)異的新結(jié)構(gòu)高性能鋰離子電池電極材料。
金屬氧化物儲(chǔ)鋰容量高、來(lái)源豐富，有望替代傳統(tǒng)的石墨類(lèi)負(fù)極材料，但其導(dǎo)電性較差且有明顯的嵌鋰體積膨脹效應(yīng)（~100-200%），導(dǎo)致電池的性能衰減，這極大限制了此類(lèi)材料的實(shí)際應(yīng)用。將金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)與具有優(yōu)良導(dǎo)電性的納米碳材料有機(jī)融合，是改善金屬氧化物導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、穩(wěn)定電化學(xué)反應(yīng)界面的有效途徑之一。但高比例低密度碳材料的引入也同時(shí)造成電池能量密度的降低。
金屬有機(jī)骨架化合物（MOF）是由有機(jī)配體與過(guò)渡金屬離子組裝而成的一類(lèi)新型配位聚合物材料，其獨(dú)特的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)使之成為構(gòu)筑碳/金屬氧化物復(fù)合納米電極材料的理想組成與結(jié)構(gòu)前驅(qū)體。
目前廣泛用以制備納米結(jié)構(gòu)的MOF主要包括不同類(lèi)型的ZIF、HKUST、MIL、普魯士藍(lán)類(lèi)配合物等，獲得的材料化學(xué)組成較為單一，難以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)性能的協(xié)同提高。針對(duì)這一難題，邱介山教授領(lǐng)銜的大連理工大學(xué)“能源材料化工”學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)基于多金屬中心的MOF前驅(qū)體，建立了一種多元摻雜碳/金屬氧化物復(fù)合納米電極材料的可控構(gòu)筑新策略，提出基于多元協(xié)同共摻雜顯著改善碳/金屬氧化物負(fù)極材料儲(chǔ)鋰性能的新思路。以內(nèi)含W、Mo、Cu、P等元素的NENU-5為納米結(jié)構(gòu)模板與化學(xué)前驅(qū)體，基于有機(jī)配體的納米限域碳化與金屬中心離子的同步原位化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，在具有優(yōu)異導(dǎo)電性的納米碳框架內(nèi)共摻雜結(jié)構(gòu)活性金屬氧化物固溶體、導(dǎo)電金屬納米顆粒及非金屬雜原子，利用活性金屬氧化物獲得高儲(chǔ)鋰容量，金屬氧化物固溶體結(jié)構(gòu)改善鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)電金屬顆粒鑲嵌的三維納米碳框架增強(qiáng)材料整體導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，非金屬雜原子引入結(jié)構(gòu)缺陷活性位，高比例重金屬原子提高體系密度，這些因素的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了碳/金屬氧化物納米電極材料質(zhì)量比容量、體積比容量、倍率性能與循環(huán)壽命的大幅度綜合提升。
磷摻雜碳包覆MoxW1-xO2/Cu納米復(fù)合電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在2-5 A g-1高倍率條件下穩(wěn)定循環(huán)2000次后容量損失率僅為0.043%每次，體積比容量可達(dá)1930-2390 mAh cm-3，是石墨類(lèi)負(fù)極材料的2-3倍，可與Si、Sn基負(fù)極材料媲美。
此項(xiàng)研究為新結(jié)構(gòu)高性能MOF基電極材料的創(chuàng)制提供了新的思路，有可能用于光電化學(xué)催化、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池等其他領(lǐng)域。
