Nat. Commun.：長壽命高容量的分級鈦酸鋰快充電池

【引言】? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

電極中的離子和電子導通是構建高性能電池材料的關鍵。對于鋰離子嵌入脫出類型的電極，這類問題尤為重要。通過減小材料的顆粒，優化形貌以及碳質材料包覆、離子摻雜，能夠有效提高離子的導通性能。鈦酸鋰是一類脫嵌鋰過程中零應變，化學性能穩定，循環性能良好的鋰電材料。微米級鈦酸鋰材料由于粒度特點，通常能夠表現出超高倍率循環特性，但首圈通常存在不可逆的容量損失，在高電壓能量密度的電極加工過程時納米顆粒也因其振實密度低而帶來困難。解決這一問題的方法是合成多級結構材料，保證納米顆粒形成更大的團聚體。多重孔道的結構能夠保證液態電解液的有效滲入，從而激活納米顆粒的電化學活性。

【成果簡介】

法國里昂大學Fre ′de ′ric Chaput團隊與波蘭克拉科夫大學的同行合作，利用水熱反應，將事先通過金屬有機化合物在1,4-丁二醇中制備出的納米顆粒再次進行組裝，制備得到多級鈦酸鋰顆粒。材料組裝成的半電池比容量可達170mAhg^-1，以50C大倍率循環下，經過1000次循環容量沒有衰減。該項成果以“Hierarchically structured lithium titanate for?ultrafast charging in long-life high capacity?batteries”為題，發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1、所獲鈦酸鋰的物相

（a，b）純化干燥后的材料以及在乙醇中分散膠體的照片。

（c）由于材料的納米特性，所得XRD圖象的峰較寬。底部紅色圖線代表擬合后的殘渣。

圖2、材料的分級結構

（a）高度結晶的納米顆粒的高分辨TEM照片。標尺長度為10 nm。

（b）單球聚集體的高分辨TEM照片。標尺長度為20 nm。

（c）納米顆粒組成的球形聚集體的多孔海綿狀結構。標尺長度為500 nm。

（d）掃描電鏡照片顯示所有的球面結構都排列成更大的結構。標尺長度為1um。流程示意圖指示了納米顆粒團聚成圓形結構的過程（150-500 nm），進而結合成更大的結構。

圖3、電化學行為

（a）Li/Li⁺/LTO電池在0.5C倍率下的充放電數據。

（b）Li/Li+/LTO在50C倍率下首個1000圈循環的電化學行為，電流密度是8.76Ag ^-1。

（c）Li/Li+/LTO電池在50C倍率下的充放電數據。

（d）Li/Li+/LTO電池以500C的倍率放電。50C的倍率充電的數據。

【小結】

法國和波蘭團隊的研究者們利用水熱法制備了納米鈦酸鋰尖晶石顆粒。納米顆粒的尺寸在4 nm-8 nm，自組裝成多孔的二級結構，比表面積高達220m²g^-1。這種材料組裝成的半電池在低倍率下的容量超過理論值，在50C倍率循環1000次后的可逆容量達到170mAh g ^-1而沒有表現出衰退的跡象。

原文鏈接：Hierarchically structured lithium titanate for?ultrafast charging in long-life high capacity?batteries（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15636）

本文由材料人新能源學術組東海木子供稿，材料牛整理編輯。

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