在过去的几十年中,由于电池的便携性和良好的存储能力,它们引起了广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。由于高能量密度、长循环寿命和低自放电率,锂离子电池主要应用于便携设备、电动汽车和可再生能源系统[[7], [8], [9], [10], [11]]。最近,随着对更高能量密度和快速充电需求的增加,传统石墨阳极的理论容量限制变得突出[[12], [13], [14], [15]],这促使人们开发性能更好的替代阳极材料[[16], [17], [18]]。
作为一种尖晶石氧化物,CoFe2O4近年来受到了研究人员的广泛关注,因为它成本低廉、资源丰富且安全性好。然而,它在充放电循环过程中存在严重的容量损失和较差的倍率性能。主要原因包括Li+插入/提取时的强烈体积膨胀(晶体结构崩溃)以及其他由于其固有的低电导率引起的问题[[19], [20], [21]]。考虑到这些问题,人们采用了多种策略。例如,Dai等人合成了Ti3C2Tx和CoFe2O4复合材料,在20 A g?1?12O4与含铁氧化物复合制备了CoFe2O4/FeO/Fe三元复合纳米球,并记录了在0.1 A g?1?1+扩散路径[24],而非晶纳米结构由于其众多的活性位点而具有极低的电荷转移障碍[25]。因此,CoFe2O4的Li+动力学性能并未得到根本改善,这成为其在LIBs中实际应用的关键障碍。
由于单晶或非晶材料的性能限制,过去十年中关于非晶/晶体异质结构纳米材料的研究发展迅速[26]。这些材料的最显著特点是,非晶区域确保了高密度的活性位点和多维的离子扩散路径,增强了反应动力学[27,28],而晶体部分则保持了高电导率和高效的电荷传输。非晶/晶体相之间的协同作用为开发具有优异性能的功能性材料开辟了有希望的途径[29,30]。这一设计原理已在从锂硫电池到超级电容器甚至锌离子电池的各种电化学应用中得到验证[28]。不幸的是,迄今为止,尚未对这种异质结构中锂存储动力学的增强效果或它们在LIBs中作为TMO阳极的作用机制进行详细研究,否则将无法更好地利用这些材料的潜力。由于结晶度是控制金属氧化物电化学行为的主要因素之一,因此需要建立结晶度与电化学性质之间的详细结构-活性关系。
在这项研究中,我们通过一步合金化策略设计并合成了一种新型阳极材料,该材料具有CoFe2O4/Fe3O4和非晶/晶体双异质结构。双网络多孔配置中的尖晶石氧化物以及低结晶度可以缓解快速Li+插入/提取过程中的结构应力,保持其结构,提供缩短的Li+扩散路径,并降低离子传输阻力。特殊的异质结构优化了电子结构,具有众多的电子传输路径、优异的结构稳定性和高电导率,从而促进了锂化存储性能的协同提升。结果,LiFePO4||FeCoO-25全电池表现出良好的电化学性能,证明了其巨大的应用潜力。这项工作为设计具有双异质结构的高性能LIB阳极材料提供了关键见解,并为先进能量存储系统提供了有希望的方法。