浙江大學AFM: 通過離子摻雜和結構設計實現具有高倍率性能的Ti2Nb10O29負極材料

【引言】

在過去的幾十年中，鋰離子電池(LIBs)取得了巨大的成功，成為了目前使用最普遍的儲能裝置。電極材料作為LIBs的關鍵組成部分，對電池的能量密度和循環壽命起著決定性的作用。自2011年Goodenough課題組的開創性工作以來，鈦鈮氧化物材料（如TiNb₂O₇，Ti₂Nb₁₀O₂₉）由于其理論比容量高（接近400 mAh g^-1）、結構穩定、嵌鋰電位高不易析鋰和高庫倫效率等成為了鋰離子電池負極材料的研究熱點。然而，其實用化仍面臨著電子電導率和離子電導率低等問題。為了實現高功率和長壽命特性，增強TNO的固有電子/離子電導率和結構穩定性是十分重要的，同時還需要改善TNO和電解液界面的離子/電子轉移。

【成果簡介】

近日，浙江大學夏新輝研究員、王秀麗副教授聯合香港城市大學劉奇教授（共同通訊作者）報道了通過結合離子摻雜和結構設計協同作用實現高功率的TNO電極。 首先，作者設計了一種新型的多孔垂直石墨烯@ TiC-C陣列(VGTC)骨架作為導電基底，它不僅具有優越的機械穩定性和離子/電導率，而且對TNO起到了一定的約束作用，從而穩定了結構。然后，由于VGTC的限制作用，然后，在導電VGTC骨架上實現了Cr³⁺摻雜的TNO(Cr-TNO)納米粒子的螺旋生長，形成了形成Cr-TNO @ VGTC陣列。此外，通過密度泛函理論計算和原位同步輻射XRD技術表明Cr³⁺摻雜可以使得TNO具有更快的離子傳輸路徑和增強了結構穩定性。因此，Cr-TNO @ VGTC電極具有優異的倍率性能，在40C的大電流密度下具有220 mAh g^-1的高可逆容量（功率密度≈11kW kg^-1）在10 C下500次循環后容量保持率為91％，遠超于其他工作。相關研究成果“Synergy of Ion Doping and Spiral Array Architecture on Ti₂Nb₁₀O₂₉: A New Way to Achieve High-Power Electrodes”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一Cr-TNO @ VGTC陣列的形貌和結構表征

（a，b）VGTC陣列的SEM圖像。

（c）VGTC的TEM圖像。

（d-f）Cr-TNO @ VGTC陣列的SEM圖像。

（g，h）Cr-TNO @ VGTC的TEM-HRTEM圖像。

（j）Cr-TNO @ VGTC的元素映射圖像。

圖二電化學性能表征

（a）TNO @ VGTC和Cr-TNO @ VGTC電極的CV曲線。

（b）TNO @ VGTC和Cr-TNO @ VGTC電極的倍率性能。

（c）10C電流密度下的充放電曲線。

（d）在第一次循環完后的EIS譜圖。

（e）10C電流密度下的的長循環性能。

圖三Cr-TNO的同步輻射XRD表征

（a-c）TNO和Cr-TNO材料的精修XRD。。

（d）TNO晶胞的晶格參數。

（e）從標準PDF數據中獲得的TNO納米粒子的晶胞。

（f）基于Nb/Ti部分有序結構模型的純TNO納米粒子的XRD精修譜圖。

（g）具有Nb / Ti部分有序結構的Cr-TNO納米粒子的晶胞。

圖四TNO的第一性原理計算

圖五Cr-TNO的原位同步輻射XRD表征

（a）Cr-TNO樣品的原位XRD譜圖和相應的電壓曲線。

（b-e）從Cr-TNO樣品的原位XRD圖記錄的典型堆疊峰輪廓組。

（f）Cr-TNO樣品的晶格演化和相應的電壓曲線。 。

【小結】

總之，作者設計并驗證了離子摻雜和螺旋陣列架構的協同作用，這是一種實現高功率電極用于電化學儲能的新方法。納米級Cr-TNO以螺旋方式緊湊地生長在VGTC骨架上，由于VGTC的限制作用，形成Cr-TNO @ VGTC陣列。借助DFT計算和原位同步輻射XRD技術，發現Cr³⁺摻雜可以提高電子/離子電導率，并具有更開放的TNO晶體結構，可以加快鋰離子的擴散速率。此外，通過同步輻射技術可以清楚地顯示出Cr³⁺的摻雜位點。這種協同策略設計使得新型Cr-TNO @ VGTC陣列具有更高的電子/離子導電性和增強了結構穩定性。因此，Cr-TNO @ VGTC具有優異的高功率特性，在40 C下的大電流密度下具有220 mAh g^-1的高可逆容量（功率密度約為11 kW kg^-1）和穩定的循環性能（500次循環后容量保持率為91%）。這種協同策略通過改善固有的電子/離子電導率和提高結構穩定性，為大功率電極材料的開發提供了新思路。

文獻鏈接：“Synergy of Ion Doping and Spiral Array Architecture on Ti2Nb10O29: A New Way to Achieve High-Power Electrodes”(DOI: 10.1002/adfm.202002665)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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