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用于快速充放电且稳定循环锂离子电池的钛酸锂水合物技术研究

发布时间: 2017-10-13 00:11     来源: 材料牛

【引言】

目前常用的锂离子电池均采用有机电解液,其中所含的电解质LiPF6是一种遇水易分解的物质,因此传统观念中锂离子电池的电极材料都是需要在高温下煅烧来充分除水。但是这会使得材料发生颗粒团聚和晶粒粗化等难以避免的副反应。

【成果简介】

9月20日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表题为《一种钛酸锂水合物——用于快速充放电且稳定循环的锂离子电池》(Lithium Titanate Hydrates with Superfast and Stable Cycling in Lithium Ion Batteries)的研究论文。该成果针对钛基储能材料领域,报道了一系列钛酸锂水合物,应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池,有效拓展了储能材料的研究范围,并提供了电极材料改性的新思路。该论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授、美国阿贡国家实验室的陆俊研究员和美国麻省理工学院的李巨教授,第一作者是清华大学材料学院2012级博士生王诗童。

【本文亮点】

该研究团队发现的Li-H-Ti-O体系材料与目前国内外报道的性能优异的Li-Ti-O体系、Ti-O体系材料(包括纳米化、掺杂和包覆之后的材料)相比,具有相当甚至更加优异的电化学性能。作为含“水”的电极材料,这类钛酸锂水合物能够在高电压有机电解液体系中实现长达上万次的稳定循环,这打破了人们的传统认知。在材料晶体内部牢固结合的所谓“结晶水”,非但没有破坏电极材料在有机电解液体系下的电化学性能,反而促进了晶体结构的多样性(如二维层状)以及纳米复合材料的构筑,从本质上提高了材料的离子扩散系数。

【图文导读】

图1 Li2O-TiO2-H2O三元相图及钛酸锂水合物的合成路线图

图2 钛酸锂水合物合成过程及材料快速嵌锂/脱锂过程的示意图

图3 钛酸锂水合物前驱体在加热脱水过程中

(a)热重分析,(b)离位XRD分析以及(c)原位同步辐射HEXRD等高线图(其中红色表示衍射强度最高,蓝色表示衍射强度最低);HN、LS和DN电极材料(d)在电压范围1.0~2.5 V、电流密度为100 mA g-1下的稳定充放电曲线,(e)倍率性能及(f)在4000 mA g-1下的循环性能比较。

图4 钛酸锂水合物电化学机理分析 

(a)LS、HN和DN三种电极的阳极峰值电流(jp)关于扫描速率(v)的响应关系;(b)LS电极材料在100 mA g-1下第三次循环的原位同步辐射XRD结果(c)LS、HN和DN三种电极在不同SOC下的锂离子扩散系数比较;HN 纳米材料的(d)HRTEM图,(e)d中方框部分放大图以及(f)选区电子衍射图。

图5 AC//HN锂离子电容的电化学性能

(a)从10 mV s-1到100 mV s-1的CV扫描曲线,(b)能量密度与功率密度的Ragone图,以及(c)在2000 mA g-1的电流密度下的循环稳定性与库伦效率图。

【展望】

运用Li-H-Ti-O体系材料的改性新思路及其本质性、普适性的特征规律,可以拓展该体系电极材料性能调整及优化的自由度,还有望对其它含氢组分的过渡金属化合物体系在能源材料领域的应用提供较大的启发与指导依据。

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