Advanced Energy Materials:超薄 [110]-取向结构的钛酸锂纳米片用于高倍率锂存储

电动汽车和其他大功率设备的发展迫切需要开发高功率密度与长循环寿命的先进锂离子电池(LIBs)体系。然而,目前商业化的石墨电极材料还不能满足超高倍率的发展需求,因此,开发具有快速充放电能力的高倍率电极材料具有重要意义。一直以来,尖晶石钛酸锂材料由于独特的结构特性受到人们的广泛关注。一方面,其相对较高的充放电平台(≈1.55 V versus Li+/Li)可以避免很多副反应的发生,保证电池安全性;另一方面,钛酸锂素有“零应变”材料之称,具有超高的结构稳定性和优越的充放电可逆性。因此,钛酸锂材料是一种极具发展前景的高倍率电极材料。但是,这类材料存在着离子迁移率较低和导电性较差的问题,限制了其发展与应用。

中山大学吴明娒教授和童圣富研究员(现在金华高等研究院工作)针对钛酸锂材料发展存在的这一问题开展了相关研究工作。首先通过第一性原理计算,预测了锂离子在钛酸锂结构中所有可能的迁移路径,根据迁移能垒推断出锂离子迁移的最优结构取向,并以此为目标合成了具有 [110] 特定结构取向的钛酸锂纳米片材料。[110]取向结构的形成与合成过程中选择的前驱体密切相关,利用独特结构的含钛纳米片前驱体与锂源在温和条件下反应,通过锂离子的嵌入,原位转化为层状结构的水合钛酸锂((Li1.81H0.19)Ti2O5·2H2O),在高温煅烧条件下水合钛酸锂经历拓扑转化,形成具有[110]取向结构的钛酸锂纳米片。

独特的取向结构和片状形貌显著改善了材料的锂离子传输动力学。一方面取向结构可以提供由外向内的直接扩散路径,避免离子曲折迁移,从根本上改善了钛酸锂材料迁移率低的问题;同时,超薄的二维纳米片结构为电化学反应提供了充足的反应位点,缩短了锂离子扩散距离,极大地提高了反应动力学。得益于这些结构优势,材料在50 C (8750 mA g-1) 的大电流下循环1500圈后仍能保持150 mAh g-1的容量,容量保持率为88%;同时,在100 C (17500 mA g-1) 的大倍率下,也能保持146 mAh g-1的容量。通过恒电流间歇滴定法 (GITT) 测得该材料在放电过程中的迁移率为1.33×10-9 cm2 s-1,优于很多已报导的钛酸锂材料的迁移率。本工作为开发高倍率性能的电极材料提供了晶体取向工程与形貌设计相结合的新思路,有望解决锂离子电池的快速充放电问题。相关研究工作得到了国家自然科学基金和广州市科技计划等项目的资助,研究成果在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202003270)上。

论文信息:

Ultrathin [110]-Confined Li4Ti5O12 Nanoflakes for High Rate Lithium Storage

Shuting Fu, Xuefang Yu, Qili Wu, Xianfeng Yang, Zheng Liu, Xiaohui Li, Shiman He, Da Wang, Yanchun Li, Shengfu Tong*, Mingmei Wu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202003270