Metal–Organic Framework-Derived Hierarchical MnO/Co with Oxygen Vacancies toward Elevated-Temperature Li-Ion Battery

材料科学 金属有机骨架 氧气 电池(电) 离子 无机化学 化学工程 纳米技术 化学物理 金属 化学 冶金 物理化学 吸附 热力学 工程类 功率(物理) 物理 有机化学
作者
Jia Lin,Chenghui Zeng,Xiaoming Lin,Chao Xu,Xuan Xu,Yifan Luo
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 4594-4607 被引量:171
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c08808
摘要

Transition metal oxides for high-temperature lithium-ion batteries have captivated orchestrated efforts for next-generation high-energy-density anodes. However, due to inherent low tap density, poor conductivity, and structural instability, their poor cyclability capacity and rate performance at elevated temperatures hinder further implementation. Oxygen vacancies (Ov) engineered by manipulating the active sites and electrical conductivity is a promising method for superior lithium storage. Herein, hierarchical MnO/Co nanoparticle-embedded N-doped carbon nanotube (CNT)-assembled carbonaceous micropolyhedrons (Ov-MnO/Co NCPs) are constructed by a "4S" self-assembly, self-template, self-adaptive, and self-catalytic metal-organic framework template method with in situ oxygen vacancies introduced. Impressively, the internal nanoparticles with metallic Co and the external N-doped carbonaceous matrix entangled by fluffy self-generated CNTs synchronously constructed hierarchical micro/nano-secondary hybrids, facilitating highly compacted density, staggered conductive network, multidirectional diffusion pathways, and accelerated electrochemical kinetics. Experimental and density functional theory investigations systematically manifested that the Ov alongside the local built-in electric field within the crystal lattice induced the boosted electrical conductivity, additional active sites, and alleviated structural expansion, further achieving the exceptional diffusivity coefficient and pseudocapacitive capacity. Benefiting from the integrated structural and compositional optimization, the Ov-MnO/Co NCPs achieved distinguished "3C" performance with superior ultralong cyclability (a volumetric capacity of 1713.5 mAh cm-3 at 1 A g-1 up to 1000 cycles), good rate capacity (a well-maintained capacity of 670.2 mAh g-1 even at 10 A g-1), and considerable high-temperature capability at 60 °C.
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