超长二氧化钛纳米管:高倍率超长循环寿命储能材料

目前,市场上销售的锂离子电池主要以石墨作为负极和LiCoO2作为正极,材料本身限制了其快速充放电的性能,尤其在便携式电子设备(如手机、电脑灯)和电动汽车领域仍难以满足供电需求。突破传统锂电池的储电瓶颈并开发出超快倍率充放电和超长循环寿命的锂电池具有重大意义,这必将极大推动新一代储能技术的发展。一般情况下锂电池完全充电耗时长达数小时,因此如果能够实现短时间内(如几分钟)快速完成充电,将会有非常大的市场前景与应用空间。但一般的锂离子电池在快速充电时,电容量和循环寿命都会大幅下降。

adma201470238-gra-0001-m我们都知道在实验室,溶液的搅拌是经常用到的步骤,它不仅可以使溶液中的反应物混合均匀,提高反应速率,同时还可以保持整个反应体系条件的统一,如反应温度、浓度等。受此启发,新加坡南洋理工大学的Chen Xiaodong教授课题组在传统水热反应中加入机械力搅拌,成功合成长度达几十微米的钛酸盐纳米管,这比通过传统水热法合成的纳米管长度增加大约100倍。研究人员发现,机械力搅拌提高了离子扩散速度和化学反应速率,促使纳米管长度得以增加,而剪切应力造成了纳米管的弯曲。基于此超长可弯曲的纳米管结构并结合热处理化学转换,二氧化钛三维网络构架得以构建,并展示出了优异的超快充放电性能。在超快充放电(每次< 3分钟,电流密度为8.4 A/g)的情况下,锂电池仍能保持较高的电量,可以循环充放电达10000次以上,这等同于长达25年的产品寿命(假设一天充电一次)。此研究结果最近被发表在Advanced Materials期刊。

最近,该课题组进一步利用搅拌水热方法还解决了一个目前困扰电池研究的普遍问题。传统锂离子电池广泛使用一些添加剂(如聚合物粘结剂、导电剂)来提高电极性能和稳定性。但是,这对深入理解材料结构-性能的关系容易造成偏差,因为添加剂本身对性能也会有影响,它不能真实地反应出材料结构和性能的直接关系。该课题组通过构建无添加剂的电极体系,首次精确阐明了纳米管长径比与其电化学性能的直接关系。他们通过控制水热搅拌法的搅拌速率,合成具有不同长径比的钛酸盐纳米管材料,这些材料呈凝胶状,具有高粘附性,能够紧紧粘附在电极上,在此基础上构建的电池系统,能够直接反映出材料结构和性能的关系。

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在对电池性能的测试中,他们首次发现可以通过改变纳米管长径比影响电池在快速充放电的性能。由于电子和离子在电极材料中传输通径的优化,高长径比能够极大提高电池在快速充放电下的性能。例如,长径比为265的二氧化钛纳米管电极材料,在高速充放电6000次后(充电2分钟/次),仍能保持其原有电容量的86%以上。假设一天充电一次,相当于约20年的产品寿命。这种电池不仅具有超级电容器般的高倍率而且具有传统锂电池的高电容量,是一种非常理想的储电载体,目前该课题组正致力于超快速锂离子电池的商业化应用。此研究结果刚发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。