Advanced Materials:引入局域电子促进离子输运,实现快速电化学离子存储

对于当前广泛研究的离子型电化学储能器件,高负载容量和高倍率性能是其商业化应用的重要指标。在各种影响离子传输的因素中,离子在电极材料的传输速度往往是决定器件性能的重要因素。目前常用的促进离子在电极材料传输的手段是通过材料复合,形貌和颗粒尺寸调控来缩短离子输运距离(如文献Science 356.6338 (2017): 599-604),对促进离子在晶体颗粒内部的传输的研究比较少。

华北电力大学李美成教授与合作者通过引入并调控电极材料内部的局域电子,可以有效调控离子在电极材料内部输运的速度,从而实现离子型电化学器件在高负载量下的高倍率性能。为了研究离子在电极材料内部输运速率,首先,所选取的电极材料需要比较稳定,避免充放电过程中的体积膨胀等副作用对实验结果带来不确定性。因此,这里选择了TiO2作为电极材料研究对象。在离子嵌入嵌出的过程中,TiO2体积膨胀小,没有明显副反应,在充放电过程中可以保持比较稳定,有利于排除其他因素的干扰。其次,为了研究离子在内部的输运速度,需要制备具有相同尺寸的晶体颗粒从而避免离子传输距离不一致带来的误差影响。此外,为了精细研究局域电子带来的影响,需要系统调控局域电子的含量,观察不同含量局域电子含量对传输速率和器件性能的影响。

通过密度泛函理论研究了局域电子与Li+及Na+的相互作用,及对离子传输势垒的影响。通过EPR,XPS,EELS,XANES和ACTEM等表征手段对引入局域电子的材料进行了系统的表征。制备了高负载量的锂离子电池和钠离子电池,研究了局域电子对离子扩散系数的影响,并实现了高负载和高倍率的电化学储能。全电池测试表明所制备材料在全电池中也可以实现高负载量和高倍率性能。通过电容贡献含量计算等分析证明了性能的提升主要是归因于离子在电极材料内部传输速率增强起到的作用。

实验结果表明这种局域电子促进离子传输机制可以使锂离子和钠离子的扩散能力提高2个数量级。在高负载量(10 mg/cm2)和高倍率(10 C)下可以实现高达190 mAh/ g的储能容量,比同尺度下该商品化电极材料提高了10倍。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905578)上。