北工大《AFM》特定晶面選擇性修飾,獲得高性能鋰電負極材料

導讀：本文通過結構設計、暴露特定晶面、TiO2和炭層同時包覆改性，大大提高了Li2TiSiO5（LTSO）材料的電化學性能。通過原位XRD和第一性原理計算作者還對反應的具體過程進行了分析表徵，為後續LTSO材料的研發和商業應用提供了參考和指導。

鈦基材料用作鋰離子電池負極材料時具有體積膨脹很小、循環性能穩定的優點，被認為有望代替石墨成為下一代鋰電池的負極材料。但它一直存在放電平臺電壓過高和理論容量較低兩大問題，嚴重的制約了其進一步的發展。

近日，北京工業大學的尉海軍教授及其團隊選擇放電平臺較低的LTSO材料為對象，並通過炭材料和TiO2同時選擇性修飾，成功提高了LTSO材料的穩定性。此外，作者還對反應中材料的結構可逆性和鋰離子擴散模式進行了表徵分析，為後續人們理解並繼續改性LTSO材料提供了寶貴參考。相關論文以題為「TiO2 Nanocrystal-Framed Li2TiSiO5 Platelets for Low-Voltage Lithium Battery Anode」在Advanced Functional Materials上發表。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001909

隨著人們對鋰離子電池的要求提升，各種新型負極材料相繼被報導。但是這些新體系均存在著自身缺點，需要進一步對材料的結構進行改性；對多個性能進行平衡。其中，鈦基氧化物材料已經被大量報導並應用與鋰離子電池負極。但商用的Li4Ti5O12材料雖然穩定且安全性高，但容量太低、放電電壓過高，很明顯無法躋身成為下一代負極材料候選人。而LTSO材料的可逆容量高達240 mAh g-1，放電電壓約為0.5 V，這相較於Li4Ti5O12或者石墨負極各方面平衡性更為理想，如何對LTOS進行進一步結構優化因此也成為了儲能領域的一個重要課題。

本文作者針對上述問題，提出了一種穩定的開放（001）晶面的LTSO材料製備方法。並通過兩步水熱法，在LTSO晶體上原位包裹TiO2和炭材料，形成類似「相框」的結構。電化學測試結果表明，通過引入TiO2，大大提高了LTSO的容量和循環穩定性。所製備的樣品在比容量可超過300 mA h g-1，並且即使在1000次循環後比容量保持率約為66%。優異的電化學性能主要得益於TiO2本身就可以儲鋰，並可以加快Li+的擴散轉移、增加材料的贗電容儲鋰效應。通過原位的XRD和非原位透射電鏡發現電極在循環過程中基本不發生晶體結構改變，顯示出極佳的穩定性。此外，DFT計算也證明了樣品晶體結構的設計和選擇性暴露特定晶面對電化學性能的重要作用。

總的來說，作者利用簡單的合成方法，製備了選擇性的暴露LTSO材料的特定晶面、具有TiO2和炭層的獨特負極材料，協同提高了材料的整體容量和循環穩定性。並通過原位XRD和第一性原理計算等多重手段對造成良好電化學性能的原因和機理進行了分析證明。該結果大大提高了LTSO商業應用的可能性，並為後續鈦基電極材料的結構設計提供了理論指導。（文：Today）

圖1 (a) 不同負極材料的容量和放電電位示意圖；(b) 三種電極材料的充放電曲線；(c) LTSO的XRD圖和結構模型。

圖2 (a)-(c) LTSO單晶的透射圖；(d)-(m) T@L5(700) 的透射圖片和各元素隨邊緣到中心得分布變化圖。

圖3不同水熱時間和煅燒溫度下的晶體結構變化和相變化分析。

圖4電化學性能測試結果。

圖5 原位XRD測試和第一性原理計算結果。

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