可定制化的超快锂离子电池器件的实现:高导电性的钛酸盐纳米管凝胶的设计

近年来,便携式、微型化的电子设备正在受到越来越多的消费者的青睐。诸如轻薄,可弯曲的技术特点俨然已是电子设备为满足消费者需求的必经之路。为此,以锂离子电池为代表的能源供给设备也亟需材料革新,从而实现电子设备的整体进步与发展。然而,现行的电池材料难以实现超快充放电和超长循环寿命,也不能胜任喷涂,印刷等可自定义的电池集成方式。

尖晶石钛酸锂(LTO)是一种较为理想的锂离子电池负极材料。快速的锂离子嵌入机制为实现超快充放电提供理论可能;较高的嵌锂电位(1.55V)和较低的嵌锂形变(0.2%)能够保障电池的整体安全性和稳定性。然而,现行的对尖晶石钛酸锂的改善手段大多基于高温固态反应( >500°)来实现纳米结构调控,导电剂包覆或掺杂等,这就不可避免地导致了纳米结构的团聚和不均匀的尺寸分布。所以,目前的固态高温反应难以得到溶液或凝胶等液态电极材料,制约了其在可自定制化的电池的设计和集成。

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鉴于这些尖晶石钛酸盐材料的这个难题,南洋理工大学陈晓东课题组在超长二氧化钛纳米线的基础上,成功研制出高导电性的钛酸锂纳米凝胶。通过对具有3D网状结构的二氧化钛纳米管进行离子置换处理,可得到具有3D网状形貌的钛酸锂前驱体。这种钛酸锂胶体再进一步与分散性能良好的石墨烯胶体复合,即可得到高导电性的钛酸盐纳米管凝胶。由于超长纳米线之间的物理缠绕,这种凝胶可以调控其粘度,可适用于喷涂,印刷,盖印,模印等多种多样的溶液电极加工方式。通过调节粘度和剂量,这种高导电性的纳米管凝胶不仅可以应用于软包电池和纽扣电池,也同样可以作为微型化电池的电极原料。

在电化学性能方面,这种凝胶也有诸多优点。1)还原石墨烯组成的导电网络可以极大促进凝胶的电子导电率。2)优质的超长纳米线能够提供较短的锂离子扩散距离和较高的扩散速率。3)互相连接的孔状结构可以提供活性材料与电解液更多的接触面积,从而提高电池的整体导电率。不同电池样品的电化学测试结果也佐证了这种纳米管凝胶作为电池材料的优势。在以90C的速率充放电循环1000次之后,以这种钛酸盐纳米管凝胶为工作电极的纽扣电池仍能保持124毫安时每克的容量密度,展现了难能可贵的超快充放电能力和超长循环能力。在以这种钛酸盐纳米管凝胶为负极的全电池测试中,90C的超快充放电条件,125毫安时每克的容量密度再次证明了这种凝胶的实际应用能力。以这种凝胶材料做成的软包全电池也给出了10C时89毫安时每克的容量;当这种材料用于微型锂电池,也显示了其超快充放电的特性,可以应用于微型电子器件的集成与组装。

这项研究成果被发表在近期的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505161)上。

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