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实验室在长寿命锂离子储能电池用钛酸锂负极材料表界面结构与性能研究方面取得新进展
时间:2012-12-03 浏览:
  

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,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, 78747879)上。

他们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(1)。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(2)。在1C条件下,其比容量为178 mA h g1即使在60C条件下,仍具有110 mA h g1的比容量,比包覆前提高了10。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。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。

说明: master_img-004.jpg

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。

2. 金红石TiO2包覆前后钛酸锂负极材料的电化学性能对比。

 

分子纳米结构与纳米技术院重点实验室

 2012123

 

 
 
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