【写作竞赛】离子液体的新应用:N掺杂碳包覆的多孔Li4Ti5O12电极

Li4Ti5O12作为锂离子电池的负极材料,主要缺点在于电子电导能力太差,纯Li4Ti5O12的电导率小于10-13 S/cm,锂离子扩散系数只有10-9 –10-13 cm2 s-1,导致倍率性能不佳,从而限制了其在锂离子电池中的应用。因此研究者们从降低Li4Ti5O12颗粒尺寸和表面包覆两方面来对Li4Ti5O12进行改性。降低颗粒才尺寸能够缩短锂离子的扩散距离,因此电极材料的电化学活性或倍率性能可以得到提高;表面包覆能够提高表面电导率,促进电极材料间的接触。目前报道的对Li4Ti5O12表面包覆的方法虽然能够提高倍率性能,但是大多数方法过程复杂或者需要在高温条件下才能实现 (>600 ℃)。

最近,中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室胡勇胜课题组首次使用离子液体作为碳的前驱体,对多孔Li4Ti5O12的进行表面包覆。与传统的固态碳源前驱体相比,离子液体由于具有流动性质更容易深入多孔材料中,而且在较低的蒸汽压下,裂解温度范围较宽 (400-1000 ℃),也不伴随快速的溶剂蒸发,这些都有利于在颗粒表面形成均匀的包覆薄层。此外,通过选择不同类型的离子液体还可以调节包覆层的组成。因此使用离子液体作为前驱体,对于调节包覆层和表界面的组成和性质方面具有明显的优势,这一点对于材料的设计和优化尤为重要。

该研究组首先采用以前报道的喷雾干燥法制得多孔Li4Ti5O12,离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作为前驱体,使用不同量的离子液体与Li4Ti5O12混合,并在氩气中600 ℃ 煅烧。通过表征发现,合成的多孔Li4Ti5O12碳包覆层中含有N元素,对比碳包覆的不含有N元素的多孔Li4Ti5O12,这种N掺杂有利于提高电池的倍率性能。

这种N掺杂碳包覆的多孔Li4Ti5O12之所以表现出极好的倍率性能和循环性能,主要原因有三:一是表面经过N掺杂碳层的包覆,在提高材料的电子导电性的同时也有利于提高Li4Ti5O12的表面稳定性;二是在Li4Ti5O12与N掺杂碳层之间形成的中间相有利于界面间的电子传输;三是在Li4Ti5O12颗粒中形成的三维导电网络更有利于锂离子的嵌入/脱出。

该课题组提出的使用离子液体作为碳的前驱体来修饰电极材料,得到的材料表面包覆着均匀的薄薄的N掺杂碳层,表现出优异的倍率性能和循环性能。该合成方法相对简单、有效,可以延伸到其他电化学器件的电极材料中。研究工作发表在Advanced Materials期刊上。