Advanced Functional Materials: “晶畴电池材料”系列——TiO2纳米晶畴框架修饰锂电池用Li2TiSiO5低电压负极

电池材料的电化学性能显著地受到材料微区结构的影响,精细设计耦合不同微区结构功能单元,为通过功能协调作用开发优化新型电池材料提供了重要思路。对于锂离子电池(LIBs)负极材料来说,商业化石墨负极的放电平台接近金属锂的电沉积电位,因而具有一定的安全风险。钛基氧化物则是具有安全性优势的负极材料,为满足实际应用,克服钛基氧化物负极材料存在电压较高、比容量较低等缺点成为设计具有优良整体性能新型负极的关键。基于十余年的持续性深入研究,北京工业大学尉海军教授提出了基于局域结构调控和功能协调的“晶畴电池材料”的研究思路,并从一级晶畴结构、二级晶畴序构及三级界面改性三个维度建立材料分级设计调控策略,为设计制备钛基氧化物负极材料等高性能电池材料提供了可控路线。

在钛基氧化物低电压负极材料方面,尉海军等人首先基于熔盐合成实现了具有优良取向生长特征的Li2TiSiO5片状微米晶体的熔盐合成。进一步通过局部原位分解有效调控了TiO2纳米晶畴在Li2TiSiO5片状微晶周围的选择性原位生长,从而实现了TiO2纳米晶畴对Li2TiSiO5特定晶面的选择性修饰。通过简单的制备参数调控可有效调控TiO2纳米晶畴的尺寸、结构和比例,从而提升TiO2纳米晶畴的储锂性能和选择性保护等功能性。这一复合结构负极材料的放电电压稳定在0.5 V左右,明显低于典型零应变钛基Li4Ti5O12负极(1.5 V),而又稍高于石墨负极(0.1 V),从而兼顾了材料的能量密度和安全性。最优化的材料具有300 mAh g1以上的比容量及优良的倍率性能,10000次循环后容量保持率为66%。原位X射线衍射和非原位透射电子显微镜证明了充放电后该负极的结构稳定性。进一步的理论计算揭示了Li2TiSiO5中Li+离子的三维迁移路径。

微区结构调控和功能协调的“晶畴电池材料”设计思路,例如本工作的在微晶特定晶面上利用原位生长的纳米晶畴进行选择性修饰,为设计具有优异电化学性能的电极材料打开了一扇新的大门。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202001909)。