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化学所长寿命锂离子储能电池用钛酸锂负极材料研究获进展-【新闻】

发布时间:2021-05-28 09:12:33 阅读: 来源:滤料厂家

化学所长寿命锂离子储能电池用钛酸锂负极材料研究获进展

与目前锂离子电池中广泛使用的碳负极材料相比,尖晶石结构钛酸锂(Li4Ti5O12)负极材料在锂离子嵌入、脱出过程中结构几乎没有变化,具有较好的安全性和优异的循环性能,是长寿命储能型锂离子电池的首选负极材料之一。但钛酸锂本身的导电性较差,高倍率性能不好。为了提高其储锂动力学,人们通常采用将其纳米化并进行碳包覆。但这样一来,在其电极/电解质界面上会形成与传统的碳负极材料一样的固体电解质界面膜(SEI),有可能带来界面问题并影响安全性。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院支持下,中科院化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的研究人员,在开发新型非碳类无机材料包覆的纳米钛酸锂材料,提高其界面稳定性和倍率性能方面取得新进展。研究结果以全文的形式发表在J. Am. Chem. Soc., (2012, 134, 7874−7879)上。

研究人员通过调控水热反应中Li:Ti投料比,合成出高质量钛酸锂纳米片负极材料(LTO-600)和侧面包覆有金红石TiO2的钛酸锂纳米片负极材料(LTO-RT-600)。他们与中科院物理所和日本的科研人员合作,通过球差校正透射电子显微镜(STEM)直接观察到原子级分辨的图像,证明沿Li4Ti5O12 [001]方向上的确原位生长出1纳米厚的金红石TiO2包覆层(图1)。

图1 侧面具有金红石TiO2包覆的钛酸锂纳米片(LTO-RT-600)的STEM照片

电化学性能测试表明,金红石TiO2包覆后,钛酸锂负极材料的极化降低,比容量、高倍率性能和循环稳定性显著提高(图2)。在1C条件下,其比容量为178 mA h g−1。即使在60C条件下,仍具有110 mA h g−1的比容量,比包覆前提高了10倍。为了揭示性能提高的原因,他们通过交流阻抗和Li扩散系数测量发现,金红石TiO2包覆后,电极材料体系的界面电荷转移阻抗降低了一半,Li的传输能力提高了10倍。仔细研究分析发现,这一包覆的高效性在于金红石TiO2仅存在于侧面,并未完全包覆钛酸锂纳米片,因此不会阻碍锂离子沿Li4Ti5O12 [110]方向的传输。

图2 金红石TiO2包覆前后钛酸锂负极材料的电化学性能对比

此外,由于金红石TiO2在钛酸锂使用电压范围内也具有储锂活性,可以形成具有较高Li+/e-传导能力的LixTiO2,并改善钛酸锂与电解质界面的传质过程。这些研究结果不但加深了对非化学计量比钛酸锂负极材料的认识,而且为开发新型高效、高安全性电极包覆材料和包覆方法提供了新思路。

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