构建一种由Ni@NiO核壳纳米颗粒嵌入碳纳米纤维中的分层复合结构，以提升电化学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Constructing a hierarchical composite of Ni@NiO core-shell nanoparticles embedded in carbon nanofibers for enhanced electrochemical performance

镍氧化物复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究。通过电纺制备碳纳米纤维负载的Ni@NiO核壳纳米颗粒复合材料，经600℃退火处理。该材料展现出766.1 mAh g?1的循环比容量和优异的倍率性能，归因于NiO的高容量、Ni金属加速相变及CNFs增强导电性和结构稳定性。

　　

郝书进|张波|张青叶|孙萌|张丽莎|刁飞宇|蔡荣生|王一谦

青岛大学物理学院，中国山东省青岛市宁夏路308号，266071

摘要

氧化镍（NiO）因其相对较高的理论比容量而在锂离子电池（LIBs）中受到了广泛关注。然而，其体积膨胀较大和循环过程中的导电性较差等缺点限制了其实际应用，导致循环性能和倍率性能不佳。为了解决这些问题，通过静电纺丝制备了一种分级复合材料——碳纳米纤维（CNFs），并在600°C下进行后续退火处理，该复合材料负载了Ni@NiO核壳纳米颗粒。与纯NiO相比，这种复合材料表现出更优异的电化学性能，在0.1 A g^-1的电流下经过100次循环后，放电比容量达到了766.1 mAh g^-1。性能的提升归因于不同组分的协同作用：NiO提供了较高的理论容量；Ni金属加速了NiO的转化反应；Ni和CNFs共同改善了导电性和循环稳定性。本研究强调了材料设计以及复合材料中不同组分协同作用对于提高储能材料电化学性能的重要性。

引言

过渡金属氧化物通过转化反应实现锂存储，具有相对较高的理论比容量[1]，[2]，[3]，可以弥补传统石墨基负极材料的缺点[4]，[5]，[6]。其中，NiO由于具有较高的理论比容量（718 mAh g^-1）[7]和低成本[8]，在负极材料领域具有很大的应用潜力。然而，NiO负极材料也存在一些缺点，如充电/放电过程中的体积膨胀较大和导电性较差，导致循环稳定性和倍率性能不佳，这限制了其在高性能锂离子电池（LIBs）中的实际应用[9]，[10]，[11]。

为了解决这些问题，研究人员提出了多种策略来提高NiO负极材料的电化学性能。例如，Tian等人[12]制备了NiO/C中空微球，研究表明将NiO与碳材料复合可以改善NiO负极材料的循环性能。此外，其他研究人员采用将NiO与Ni金属结合的方法来提高其导电性[13]，[14]，[15]。Song等人[16]通过水热法制备了NiO/Ni纳米片，发现加入Ni可以有效提高NiO负极材料的导电性和倍率性能。Xu等人[17]通过水热法合成了碳包裹的Ni@NiO纳米复合材料，表现出优异的电化学性能。由此可见，将Ni/NiO与碳材料复合是提高NiO负极材料循环稳定性和倍率性能的有效策略[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。此外，如果使用静电纺丝技术将碳材料制备成一维碳纳米纤维（CNFs），将进一步增强其电化学性能，并有利于负极材料的大规模生产[23]，[24]，[25]，[26]。据我们所知，只有少数研究人员[4]使用静电纺丝技术制备了一维Ni@NiO/C纳米纤维，但其微观结构和电化学性能尚未得到研究。

在本研究中，通过静电纺丝制备了负载Ni@NiO核壳纳米颗粒的分级复合材料，并系统研究了该复合材料的微观结构和电化学性能。与纯NiO纳米纤维相比，该复合材料表现出更优异的倍率性能和循环稳定性。

材料合成

将聚丙烯腈（PAN，平均分子量150,000）和镍乙酰丙酮酸盐[Ni(acac)2]（98%）溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，然后在25°C下搅拌6小时，直至形成均匀且粘稠的纺丝溶液。随后，通过静电纺丝将溶液纺制成纤维膜，详细的纺丝参数可见其他文献[27]。纤维膜在30°C下空气中干燥2小时，以去除多余的DMF[28]。

结果与讨论

为了探究产品的晶体结构，采用了XRD分析。图1b显示了N-P 600的XRD图谱。在图1b中，大约26°处有一个较宽的衍射峰，来源于非晶碳，表明N-P 600中存在一定量的碳。同时，在44.5°、51.8°和76.4°处有三个明显的衍射峰，分别对应于立方Ni的（111）、（200）和（220）晶面（JCPDS编号：04-0850，a = 3.524 ?）。

结论

通过静电纺丝并在600°C下氩气中退火，制备了嵌入碳纳米纤维中的Ni@NiO核壳纳米颗粒的分级复合材料。对于这种核壳纳米颗粒，NiO在Ni上表现出良好的外延生长，Ni和NiO之间存在两种可逆的取向关系。当该复合材料作为LIBs的负极材料使用时，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。电化学性能的提高主要归因于...

作者贡献声明

郝书进：撰写——初稿，实验研究，数据分析。张波：实验研究，数据分析。张青叶：撰写——审稿与编辑，数据分析。蔡荣生：撰写——审稿与编辑，方法学研究，数据分析。王一谦：撰写——审稿与编辑，项目监督，资金申请，概念构思。孙萌：数据验证，数据分析。张丽莎：数据验证，数据分析。刁飞宇：撰写——审稿与编辑，数据分析。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

致谢

作者感谢中国科技部高端外国专家项目（项目编号：G2022025015L，G2022025016L）和山东省“双百人才计划”（项目编号：WST2018006）的财政支持。王一谦还感谢山东省泰山学者计划、青岛国际半导体光电纳米材料中心以及山东省重点...