Advanced Functional Materials:{100}面暴露单晶TiO2(B)纳米带—基于锂离子脱嵌扩散各向异性的快离子通道

TiO2原材料成本低廉,制造工艺简单,在光催化、电池材料等领域得到了广泛的关注和研究。在多相TiO2结构中,Bronze结构的TiO2(B)具有开放式的晶体结构,有利于锂离子的脱嵌与体相扩散。该材料在锂离子电池负极材料研究中表现出良好的循环性能和高容量保持率,且电压平台接近1.5V,具有较高的安全电压。但是,TiO2(B)材料本身导电性较差,首次库仑效率比较低(70~80%),这些问题成为了该体系材料研究发展的主要问题。

近日,西南大学王强副教授课题组与新加坡南洋理工大学范红金教授、新加坡国立大学冯元平教授、沈雷教授课题组合作采用第一性原理计算对TiO2(B)材料中锂离子占位与扩散传输进行了研究。研究表明锂离子在TiO2(B)晶体结构中的扩散传输主要表现为ab平面的二维传输,高比表面能面{100}成为有利于锂离子脱嵌扩散的通道。在实验研究中,我们首次合成具有大面积{100}表面暴露的单晶钛酸纳米带(占比达70%以上),进而得到{100}表面暴露的单晶TiO2(B) 纳米带(占比达70%以上),克服了直接合成高比表面能{100} 晶面TiO2(B)比较困难的技术难题。通过高导电聚合物PEDOT-PPS(PP)包覆该单晶纳米带,TiO2(B)@PP不仅大幅度提高负极材料的首次循环库仑效率(98%以上)、循环寿命和容量保持率(~1V);同时由于PP在低电位放电(~0.5V)条件下对活性材料TiO2(B)的保护作用,TiO2(B)@PP同样表现出了优异的电化学性能,1500次循环后容量保持在160.7mAhg-1,容量保持率66%(1C),具有一定的实际应用前景和价值。

该文章:Single-Crystalline TiO2(B) Nanobelts with Unusual Large Exposed {100} Facets and Enhanced Li-Storage Capacity (DOI: 10.1002/adfm.202002187),在线发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上,王强副教授为本文第一作者,南洋理工大学范红金教授,新加坡国立大学冯元平教授为共同通讯作者。