TiO2-B具有理论容量高、结构稳定、安全性高、环境友好和原料丰富等优点,成为近年来锂离子电池负极材料的研究热点之一。目前,常见的合成TiO2-B的方法往往需要高浓度的强碱溶液/高反应压力和长反应时间,步骤繁琐。因此,研究简单、安全、经济的方法合成TiO2-B仍是一个挑战性的课题。另一方面,分等级结构纳米材料具有稳定的结构、大比表面积、丰富的孔结构和可调的纳米结构单元等优点,能够有效地改善电极材料的储锂性能。
福州大学的研究团队设计出简单的一步水热合成法,以葡萄糖碳化为模板,合成出分等级结构的TiO2-B微米球。这些微米球的直径在400-500纳米之间,且微米球是由7纳米左右的纳米粒子聚集形成,具有明显的分等级结构。作为锂离子电池负极,该材料展现出高比容量和良好的循环性能。在5 C (1 C = 335 mA•g-1)的倍率下,充放电循环100次后,其放电比容量可达202.3 mA•h•g-1,远高于TiO2-B纳米粒子在相同测试条件下的比容量(115.9 mA•h•g-1)。这种良好的储锂性能与其分等级结构有关:相比于TiO2-B纳米粒子,分等级结构TiO2-B微米球具有更大的比表面积和介孔结构,有利于电解液快速渗透到电极内部,提高两者的接触面积;另一方面,在充放电之后,分等级结构保持完整,有利于电极材料的循环稳定性(图1)。
图1. 分等级结构TiO2-B微米球的合成示意图、透射电镜图及倍率性能图。
他们进一步采用类似的水热法,成功合成出暴露{010}晶面的分等级结构TiO2-B (HTNs),作为锂离子电池的负极材料展现出高比容量、优异的循环稳定性能和倍率性能。在5 C (1 C = 335 mA•g-1)的倍率下,充放电循环200次,放电比容量为200.9 mA•h•g-1。将该材料与商业化的LiFePO4组成扣式锂离子全电池,在2 A•g-1的电流密度下,循环1000次,放电比容量仍保持在125.6 mA•h•g-1。这种优异的电性能可能源于暴露{010}晶面的TiO2-B纳米片为锂离子嵌入提高了最优的通道,使锂离子在材料内部能够快速传输;同时在充放电循环过程中,具有分等级结构的微米球有利于保持电极材料的稳定性(图2)。
图2. 分等级结构TiO2-B (HTNs)的透射电镜图及嵌锂示意图;HTNs//LiFePO4组成扣式锂离子全电池的循环性能图。
相关成果近期分别发表在Journal of Materials Chemistry A 1和Journal of Power Sources 2上,文章的第一作者均是福州大学的博士研究生柳宇彬。
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最后编辑时间为: 2020-05-19 23:56 Tuesday
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