团队在氯离子电池正极材料研究中获得新进展

层状双氢氧化物（LDHs），由于其独特的含阴离子的二维层状结构和双金属在LDHs主层上的可逆氧化还原反应而产生的高Cl⁻存储容量，被认为是最有前途的CIBs插/脱嵌机制正极。以LDHs为正极的氯离子电池体系无法承担高电流密度下的充放电，且在充放电过程中由于氯离子的嵌入脱出导致的体积效应使LDHs的二维层状结构有层间堆叠的倾向，抑制氯离子的存储和离子迁移，限制了氯离子电池体系实际应用。如何解决这一问题成为了现阶段的研究热点。

近日，我团队硕士研究生赵泽羽同尹青副教授在氯离子电池正极材料研究中获得新进展。通过对预碳化ZIF-67模板的简便蚀刻工艺，成功制备了具有独特三维中空纳米笼形貌的镍钴钼层状双氢氧化物/碳复合物（C/NiCoMo LDH）。这种中空纳米笼结构有效缓解了LDH材料的自堆积问题，同时提升了LDH材料的导电性，使其即使在高电流密度下仍表现出优异的循环稳定性。此外，C/NiCoMo LDH继承了ZIF-67的高比表面积和丰富孔道结构，为电化学反应提供了充足位点，并为氯离子提供了快速扩散通道。值得注意的是，以C/NiCoMo LDH为正极材料的氯离子电池在400 mA g⁻¹电流密度下循环350次后，放电容量高达132.7 mAh g⁻¹，同时保持接近100%的库仑效率。此外，研究还通过先进光谱技术阐明了C/NiCoMo LDH的储氯机制。该工作通过解决LDH类材料的本征导电性缺陷和自堆积问题，为高性能阴离子存储材料的开发提供了有价值的思路。

Fig. 1. The preparation procedure of C/NiCoMo LDH.

Fig. 2. SEM images of C/NiCoMo LDH:(a) and (b). (c) TEM image (inset: HRTEM pattern) of C/NiCoMo LDH. 

(d–h) TEM-EDS elemental mapping of Co, Mo, Ni, C, Cl in C/NiCoMo LDH.

 (i) XRD patterns of C, C/NiCoMo LDH and NiCoMo LDH.

Fig. 3. (a) CV curves of C/NiCoMo LDH and NiCoMo LDH samples at 0.3 mV s⁻¹ scanning rate. 

(b) Contribution rates of diffusion/surface control processes at different scanning rates of C/NiCoMo LDH and NiCoMo LDH. 

(c) Electrochemical properties of C/NiCoMo LDH and NiCoMo LDH cathodes in CIB system. 

(d) Cyclic stability of C/NiCoMo LDH electrodes at a current density of 400 mA g⁻¹.

通过对预碳化ZIF-67模板的蚀刻工艺，成功制备了具有显著层间距的三元层状双氢氧化物/碳复合材料三维中空纳米笼。无定形碳作为导电网络的引入显著提升了C/NiCoMo LDH的电导率，从而促进了高效的电子转移。生长于中空碳纳米笼结构上的三维LDH材料，不仅为离子扩散和嵌入提供了便利，还增强了碳骨架的稳定性，确保了材料在高电流密度下仍表现出优异性能。因此，C/NiCoMo LDH在400 mA g⁻¹的电流密度下循环350次后，展现出132.7 mAh g⁻¹的稳定放电容量，同时库仑效率接近100%，超越了此前报道的氯离子电池（CIBs）正极材料性能。此外，该材料的Cl⁻扩散系数显著提高，范围达10⁻¹⁰~10⁻¹² cm² s⁻¹，比纯NiCoMo LDH提升了一个数量级。研究还揭示了Ni²⁺/Ni³⁺、Co²⁺/Co³⁺和Mo⁴⁺/Mo⁶⁺多氧化还原对与Cl⁻离子可逆迁移协同作用的储能机制。本研究提供了一种简单的碳骨架与三元LDH复合生长方法，为氯离子电池正极材料的设计与开发提供了新视角。

文献信息：Surfaces and Interfaces 56 (2025) 105690

第一作者：赵泽羽

通讯作者：尹青 隋艳伟  

第一单位：中国矿业大学