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超越Li4Ti5O12理论比容量的分级结构Li4Ti5O12微球

超越Li4Ti5O12理论比容量的分级结构Li4Ti5O12微球

与便携式电子设备相比,电动汽车要求锂离子电池具有更出色的倍率性能和长的循环寿命。研究者们发现了一种“零应变”材料Li4Ti5O12Li4Ti5O12的充放电平台在1.55V,从而有效避免了SEI膜的生成,极大地提高了锂离子电池的安全性能,能够很好的满足电动汽车对电池的需求。但是低电导率和锂离子扩散系数制约了Li4Ti5O12的倍率性能和循环稳定性的提高。为此,研究者们通过离子掺杂,表面包覆导电层以及制备多孔纳米结构等方法来解决这些问题。近日,北京大学徐东升教授、李琦教授等人通过简单的三步水热法制备出了由超薄Li4Ti5O12纳米片(HLTO-NS)组装的分级结构微球。该Li4Ti5O12微球表现出良好的电化学性能。

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图1.由钛酸锂纳米片(HLTO-NS)组装分层微球的制备示意图

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图2.a)商业化的P25粒子的SEM图,b)钛酸钠纳米线的SEM图,c)分层钛酸钠SEM图,d)钛酸氢钠的SEM图,e)和f)分层碳酸锂的SEM图,不同比例钛酸锂的XRD图谱

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图3.a) HLTO-NS微球的TEM图,b) HLTO-NS微球的HRTEM图,c)单独纳米片的TEM图,d)单独纳米片的HRTEM图,d)中FFT插图,HLTO-NS样品的N2脱吸附等温线和孔径分布曲线

通过三步水热法制备的HLTO-NS微球很好的避免了颗粒易团聚的缺点,海胆状的微球尺径分布在1-5μm之间,处理后的微球形貌也没有发生明显的改变。锂和钛的摩尔比是控制产品纯净度的重要因素:当Li:Ti=1.5时,可得到纯净的HLTO-NS微球。在1, 2, 5, 10, 15, 20, 50C的倍率下,放电容量分别为179, 171, 167, 162, 159, 156, 150 mAh/g (理论比容量为175 mAh/g)。随着电流密度的提高,HLTO-NS的比容量下降的非常缓慢。巨大的比表面积,使其比容量超过了Li4Ti5O12的理论值。在20 C倍率下循环3000次后,HLTO-NS的比容量仍高达126 mAh/g。

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图4.a) HLTO-NS的CV曲线,b) HLTO-NS在不同倍率下的初始充放电曲线,c) HLTO-NS的倍率性能,d) HLTO-NS在20C下经过3000次循环的比容量和库伦效率曲线

HLTO-NS微球作为锂离子电池负极材料所表现出的优异性能归功于以下几点: 

  1. 本文提出的超薄纳米片平均厚度为6.6 ± 0.25 nm,Li+和电子可直接经过表面纳米片传输,缩短了传输距离;

  2. 分层结构促进电解质对电极的浸润,提高了锂离子从电解质进入到纳米片中的速率;

  3. 大尺寸的分层微球可以提供更好的结构稳定性和集流体有更好的接触,进而延长循环寿命。

 

参考文献

Yishi He, Aidaer Muhetaer, Jianming Li, Feifan Wang, Cheng Liu, Qi Li,* and Dongsheng Xu,*  Ultrathin Li4Ti5O12 nanosheet based hierarchical microspheres for high-rate and long-cycle life Li-ion batteries. Advanced Energy Materials. 2017:1700950. DOI: 10.1002/aenm.201700950


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