【写作竞赛】高性能锂电负极材料:氢化钛酸锂纳米线阵列

Li4Ti5O12 (LTO)具有尖晶石结构,20 世纪70 年代曾被作为超导材料进行大量研究,20 世纪80 年代末曾作为锂离子蓄电池的正极材料进行研究,但因为它相对于锂电位偏低且能量密度也较低,而未能引起人们的广泛关注。直至1999 年前后,人们才对尖晶石型锂钛复合氧化物Li4Ti5O12作为锂离子二次电池的负极材料开始了大量的研究。采用Li4Ti5O12作为锂离子蓄电池的负极材料有以下特点:性能优异,充放电体积变化小;首次充放电效率较高,可以达到95% 左右;循环寿命长,稳定性能高;不与电解液反应,不易产生锂晶枝,价格便宜,容易制备等优点。作为动力锂离子蓄电池负极材料有着巨大的研究价值和商业应用前景。

然而纳米结构Li4Ti5O12在组装成电池过程中需要与粘结剂、炭黑混合在一起,这个过程不仅增加了不希望的电极间界面反应,还不可避免地对电池整体的能量密度造成影响。

最近,南京航空航天大学材料科学与工程学院张校刚课题组深入研究Li4Ti5O12的制备方法,首次提出快速无模板法制备自支撑的Li4Ti5O12纳米线阵列。这种自支撑的纳米线阵列,不需要与粘结剂混合,使得电极制备过程变得简单,电极材料直接生长在集流体上还可以提高导电性。

该研究组制备的纳米线阵列为H-LTO,首先通过水热与离子交换过程将H2Ti2O5·H2O纳米线阵列生长在钛箔上,然后采用LiOH锂化H2Ti2O5·H2O,原位合成出LTO前驱体,最后高温煅烧实现相转化得到尖晶石型LTO,同时产生的Ti3+位点增加了电子导电性。这种新的方法合成的H-LTO具有大的比表面积,有利于锂离子的快速传输,可控引入的Ti3+位点增加了电子导电性,电极材料直接与集流体接触,保证了每根纳米线都参与到快速电化学反应中。H-LTO作为负极材料用于锂离子电池中时,具有高的比容量(0.2C时容量为173 mAh/g),极好的倍率性能(30C时,比容量可达到121 mAh/g),良好的循环稳定性(5C循环100次后容量仅衰减5%)。

该课题组提出的通过制造表面缺陷提高电子/离子导电性的方法可以扩展到其他负极或正极材料的制备中,同时也为钛酸锂作为高性能无粘结剂的储能器件提供了新的机遇。

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