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清华深研院赵世玺课题组JMCA丨简单构造分级多孔钛基双相材料实现低温锂电负极突破

【引言】

锂离子电池由于其高能量密度等优点被广泛运用于便携式电子、储能电站、交通运输等领域。然而快速充放电时代的来临,对锂离子电池安全性、长循环寿命、倍率性能以及工作温度范围提出了更高的要求。碳材料由于本身的缺点导致其无法满足这些要求。因此构建一种,能在低温下正常工作的锂离子电池负极材料极为有意义。钛酸锂Li4Ti5O12 (LTO)具有稳定的结构(被称为“零应变”材料)和较高的工作电位(约1.55 V (vs Li+/Li))相比碳材料具有更高的安全性而受到人们的广泛关注。但Li4Ti5O12本身的低电子电导率也限制着其本身的倍率性能。与此同时,电极材料在低温下表现出的低离子电导和电子电导也阻碍着锂离子电池在低温下的发挥。

【成果简介】

近日,清华大学深圳研究生院赵世玺课题组与华盛顿大学的曹国忠课题组合作,提出通过简单的拓扑转换方法得到形貌均一的分级多孔的钛基两相结构材料。该材料结合了分级结构材料的优点,在赋予材料优异的倍率性能的同时,还能保持结构稳定性。同时该材料具有的赝电容性质提升了其在低温下的性能。该材料在0℃、-10℃、-40℃的容量分别为143 mA h g-1 、130 mA h g-1 和94 mA h g-1. 该研究成果在以“Hierarchical porous Li4Ti5O12–TiO2 composite anode materials with pseudocapacitive effect for high-rate and low-temperature applications”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

【图文简介】

清华深研院赵世玺课题组JMCA丨简单构造分级多孔钛基双相材料实现低温锂电负极突破

图一:形貌均一的分级多孔的钛基两相结构材料的制备流程图

该工作利用拓扑化学转化的原理,通过简单的水热离子交换的方法得到具有分级多孔结构的二氧化钛-钛酸锂的两相负极材料

具有赝电容性质的分级多孔结构提升锂电负极的低温性能

图二:SEM及TEM图

从SEM和TEM图中可以看出材料具有形貌均一的分级结构

清华深研院赵世玺课题组JMCA丨简单构造分级多孔钛基双相材料实现低温锂电负极突破

图三:低温性能测试

低温性能中可以看出,具有分级结构的钛基双相负极材料有着比商业化钛酸锂负极材料更好的低温循环性能和倍率性能。

【小结】

该工作报道了利用拓扑化学转化原理合成一种具有分级多孔结构的两相锂离子电池负极材料的方法,分级多孔的结构赋予了材料优异的倍率和循环性能,同时该材料具有的赝电容性质使其在低温下也能发挥优异的性能。这为构建低温锂离子电池负极材料提供了思路。

原文链接Hierarchical Porous Li4Ti5O12-TiO2 Composite Anode Materials with Pseudocapacitive Effect for High-Rate and Low-Temperature application. (Journal of Materials Chemistry A,2018, DOI: 10.1039/c8ta03172j)

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | V

主编 | 张哲旭

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