清華大學深研院：傳統鋰電池負極材料Li4Ti5O12實現新突破

裝電池的蛋蛋 7年前 (2016-07-05) 14442瀏覽

作為儲能裝置的一個典范——鋰離子電池，因其具有高能量密度和高功率密度的特點而受到廣泛研究。作為“零應變”材料，尖晶石型的鈦酸鋰（LTO）具有很多優點：1.充放電過程中體積幾乎不發生變化，具有優異的循環性能；2.離子擴散速率較高，比碳負極高一個數量級，可以快速充電；3.較高的充放電平臺（~1.55V）可以避免電解液的分解，電池安全性能好。因此，作為負極材料的鈦酸鋰能夠大幅度提高鋰離子電池的安全性、快充性能和使用壽命，并逐漸成為當今社會的研究熱點。

然而，鈦酸鋰材料的本征離子和電子電導率仍然較低，為了實現其高功率特性，納米尺度鈦酸鋰材料成為近年的研究熱點。制備單分散納米球形鈦酸鋰顆粒是降低鈦酸鋰材料不可逆容量的關鍵，但是制備均一單分散的鈦酸鋰前驅體材料以及維持其燒結后的球形形貌仍然是一個巨大的挑戰。同時，目前納米前驅體球形材料的制備存在一定困難，鈦酸四丁酯等鈦源遇水很容易團聚，不容易控制其形貌且均一性不好。雖然通過引入模版或者活性劑能夠合成單分散的納米球，但是熱處理過程中其形貌的維持仍然是一個急需解決的難題。

近日，清華大學深圳研究生院康飛宇教授、李寶華教授、賀艷兵教授研究團隊與佐治亞理工學院 Zhiqun Lin教授合作提出了一個十分有效的策略，用氮化鈦做氮源來制備平均尺寸為120 nm的單分散納米球形鈦酸鋰材料。其電化學倍率性能十分優越，首先，氮化鈦在雙氧水，氨水作用下溶解生成過氧化鈦，在一個穩定溫度的強堿性環境下，可以成功合成由TiO2/Li+組成的單分散前驅體，但是pH值的降低會導致前驅體球進一步長大。這說明氫氧根離子對于減緩過氧化鈦的分解以及前驅體球的聚集長大起著至關重要的作用。有趣的是，通過原位粘接在TiO2/Li+納米球表面均一的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)層在熱處理過程中，很好地維持了其單分散球形結構和形貌，獲得了性能優異的粒徑約為120 nm單分散多孔球形鈦酸鋰，且振實密度達到1.1 g/cm3。電化學研究表明，其具有非常優異的倍率性能，如10 C充放電比容量達到151.1 mAh/g，甚至在80 C下充放電仍然能夠達到108.9 mAh/g。另外，在10 C的充放電速率下，循環500次后其容量仍保持92.6%，體現了優異的電化學穩定性。