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SiO2/TiO2复合物膜高性能储锂

SiO2/TiO2复合物膜高性能储锂

锂离子电池(LIBs)因其开路电压高、能量密度高、无记忆效应、寿命长和对环境友好等优点,广泛应用在手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子产品,并且在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)等领域也有良好的发展前景。目前商业化使用的负极材料主要是石墨,它的比容量为372mAh/g,已不能满足日益增加的能源需求。因此,寻找和开发高能量密度负极材料是锂离子电池发展的的重要挑战。TiO2由于拥有合适的放电平台(1.7V vs Li/Li^+),可以避免电解质的分解和锂枝金的形成,被认为是最有希望的替代石墨的候选者。但相对于Si电极,它比容量较低,且电导性和倍率性能较差。

近期,韩国仁荷大学Jinsub Choi教授等人通过等离子体电解氧化技术合成出SiO2/TiO2复合物膜,作为锂离子电池负极,表现出高容量和优越的循环稳定性。此成果发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。

SiO2/TiO2复合物膜高性能储锂

图1 SiO2/TiO2复合物膜的SEM图:(a)Si0;(b)Si0.2;(c)Si0.3a;(d)Si0.3b;(e)Si0.4

SiO2/TiO2复合物膜高性能储锂

图2 (a)多孔SiO2/TiO2复合物膜的光学显微镜照片;(b)多孔SiO2/TiO2复合物膜合成过程示意图。

SiO2/TiO2复合物膜高性能储锂

图3 (a)SiO2/TiO2复合物膜电极的CV图;(b)SiO2/TiO2复合物膜电极的充放电曲线图;(c)SiO2/TiO2复合物膜电极的循环性能图;(d)SiO2/TiO2复合物膜电极的倍率性能图。

在等离子体电解氧化的过程中,Ti基质表面产生等离子气泡和微弧,导致窄的放电路径和内爆,进而在氧化膜中形成微孔。多孔结构可以促进的锂离子运动,并且缓解循环过程中由于体积变化引起的机械应力。SiO2/TiO2复合物膜作为锂离子电池负极,表现出优良的储锂性能。在电流密度500 µA/cm^2下,SiO2/TiO2复合物膜电极首圈充放电容量为480/1030µAh/cm;在电流密度分别为200,300,400和 500 µA/cm^2下,容量为490,390,310,240 µAh/cm2,体现了良好的倍率性能。SiO2/TiO2复合物膜的良好电化学性能主要归功于稳定的多孔结构,有利于锂离子的传输。其次TiO2能保护电极结构的完整性,缓解充放电过程中体积膨胀的问题。此成果为以后设计新型的锂离子负极材料提供了借鉴。


参考文献:

Gibaek Lee, Sudeok Kim, Sunkyu Kim, and Jinsub Choi. SiO2/TiO2 Composite Film for High Capacity and Excellent Cycling Stability in Lithium-Ion Battery Anodes, Adv.Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703538.

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