生物矿化策略合成网状二氧化钛/石墨烯复合结构及其可逆的界面储锂性能

advs201500176-gra-0001-m发展具有高能量与高功率密度的锂离子电池是制造各型电动车辆和电子器件的基础。而合成高容量,长循环寿命以及快速充放电特性的高性能电极材料是其中一个重要挑战。由于其安全,廉价,循环稳定性优异等特点,二氧化钛(TiO2)被认为是一种较有潜力的锂离子电池负极材料。但是该材料的离子和电子导电率较低,在作为电极使用过程中快速充放电性能较差,这严重影响了TiO2 在锂离子电池中的实际应用。诸多研究表明,减小TiO2 材料的晶粒尺寸是改进其电化学性能的重要方法,较小的晶粒尺寸可以有效缩短电子与锂离子在TiO2晶体内部的扩散路径,由此提高其电极性能。更重要的是,纳米尺度下的TiO2 晶粒通常具有显著的界面储锂效应。与反应动力学较慢的晶体内部锂离子脱嵌过程不同,界面储锂效应通常发生于材料表面,通过快速而且高度可逆的法拉第电荷储存反应实现。因此充分利用界面储锂效应,能较大程度的提高TiO2 电极材料的快速充放电性能,这对于发展高功率锂离子电池具有重要意义。

通过模拟自然界生物体内二氧化硅的形成过程,研究人员可以在温和条件下调控纳米TiO2的成核,生长和结晶,此方法被称为仿生钛化。与传统的合成方法相比,仿生钛化过程不仅仅合成条件环境友好,而且提供了一种对TiO2 各项物理化学特性进行调控的新思路。北京工业大学陈戈副教授研究组报道了利用仿生钛化方法在还原石墨烯氧化物(RGO)表面构建由TiO2 纳米颗粒相互连接的“网状”结构TiO2,在此项研究中,支状多胺高分子作为仿生钛化位点和锚定剂用以控制TiO2 纳米颗粒在石墨烯氧化物(GO)上的成核,生长和结晶过程。所得的TiO2/RGO 复合材料中,TiO2 纳米颗粒尺寸在10nm 以下,并暴露出具有高表面能的(001)晶面;同时产物具有较薄的厚度(10-12nm)和较大的比表面积(172 m2g−1)。将所得TiO2/RGO 复合材料用于锂离子电池电极材料时,该材料表现出优异的快速充放电性能和循环稳定性:在5C(1C = 168 mAg−1)的电流密度下循环50 圈,该材料的容量约为155mAhg−1;在25C 的电流密度下循环2000 圈,该材料仍然具有115 mAhg−1 的容量,此性能远优于普通的纳米TiO2 与RGO 机械混合产物。对不同循环圈次的充放电曲线的具体分析表明,TiO2/RGO 复合材料优异的快速充放电性能与循环稳定性能部分源于其可逆的界面储锂机制。“网状”结构的TiO2 具有大量的孔隙,与复合的RGO 一起提供了丰富的反应界面可以同时储存锂离子和电子,从而形成界面储锂行为。此项研究展示了一种新颖的环境友好的生物矿化策略来调控无机纳米材料的合成过程,并最终提高该无机纳米材料的电化学性能。