高倍率性能锂离子电池负极材料:多相杂化TiO2等级介孔束状纳米线

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现今,锂离子电池广泛应用于便携式电子设备、电动汽车与智能电网等领域。随着新应用的不断涌现,锂离子电池技术的革新以及开发稳定性好、能量密度高和功率密度高的可持续电源,显得尤为重要。其中,关键因素在于设计高效的锂离子电池电极材料。

武汉理工大学苏宝连教授、李昱教授及其研究团队针对这一问题进行了深入研究,设计了一种无定形相包覆锐钛矿/金红石相TiO2等级介孔束状纳米线,显著地提高了材料的充放电比容量以及倍率性能。在1C电流密度下充放电100次,材料的比容量维持在174 mA h g-1,基本没有衰减。特别需要指出的是,材料在50C倍率下测试,循环50次后仍然具有96 mA h g-1的高比容量。该电极材料优异的电化学性能来源于其特殊的等级介孔束状纳米线结构,无定形/锐钛矿/金红石纳米杂化相的存在与Li2Ti2O4纳米结晶区域的形成:首先,该材料由大量锐钛矿/金红石混合晶型纳米线自组装形成,TiO2材料体积膨胀小、稳定性良好;其次,纳米线表面包覆有高比表面积的无定形相,能提供更多的嵌锂活性位点;再次,大量纳米线自组装形成直纳米孔道,能提高电解液与电极材料的接触面积,缩短Li+迁移路径和电子传输路径;最后,在电化学过程中,TiO2纳米线表面形成大量的Li2Ti2O4结晶性纳米颗粒,能进一步提高材料的比容量。此外,作者通过半原位XRD、SEM、TEM以及XPS等方法深入阐明了材料的电化学反应机理。相关研究结果近期发表在Advanced Science (Adv. Sci., 2015, DOI: 10.1002/advs.201500070)上

该TiO2等级介孔束状纳米线具有合成简洁、比容量高、倍率性能好、稳定性好等优点,在大规模工业生产中具有广阔的应用前景。同时,该研究思路具有很好的拓展性,可拓展至其它电极材料。