AFM：原位靜電自組裝合成高穩定性LTO/rGO/SnO2納米復合材料用于高性能鋰離子電池

導讀

鋰離子電池具有能量密度高、無污染、無記憶效應、循環壽命長等優點，使其廣泛應用于電動汽車、電子設備等領域。鈦酸鋰?(Li₄Ti₅O₁₂，LTO) 負極材料近年來引起了廣泛關注。LTO的理論容量為175 mAh/g，充放電過程中晶格常數幾乎沒有變化，被稱為“零應變”材料。同時，LTO具有優異的循環穩定性和高庫侖效率。然而，LTO的理論容量低、導電性差，限制了其作為鋰離子電池負極材料的發展。為了提高LTO的電化學性能，目前應用最多的是離子摻雜、表面復合改性技術。

成果掠影

近日，遼寧工程技術大學王鳴副教授 (Ming Wang) 團隊和昆士蘭科技大學閆誠(Cheng Yan) 教授團隊在Advanced Functional Materials上發表了題目為"Synthesis of Highly Stable LTO/rGO/SnO₂?Nanocomposite via In Situ Electrostatic Self-assembly for High-performance Lithium-ion Batteries"的研究文章。該團隊首次提出采用“一箭雙雕”的策略，既實現了LTO與rGO和SnO₂的復合，又使Sn離子摻雜進LTO晶格中，使LTO的電化學性能有了突破性的提高，這項工作開辟了LTO基鋰離子電池電極材料研究的嶄新領域，推動了新能源領域的發展。為LTO的研究提供了很好的研究思路。

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圖文概覽

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圖1?LTO/rGO/SnO₂納米復合材料制備工藝及電化學性能示意圖

圖2?LTO、LTO/rGO、LTO/rGO/SnO₂納米復合材料:?(a) XRD圖譜; (b)?(111)?衍射峰的放大圖譜;?(c)XPS:?O1光譜;?(d) LTO納米材料TEM圖像和選區衍射插圖; (e)?LTO/rGO納米復合材料的TEM圖像; (f)?LTO/rGO/SnO₂納米復合材料TEM圖像和選區衍射插圖; (g)?LTO/rGO/SnO₂納米復合材料的STEM圖像; (h),?(i)?LTO/rGO/SnO₂納米復合材料的HRTEM圖像

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圖3(a) LTO、LTO/rGO和LTO/rGO/SnO₂納米復合材料的EIS (交流阻抗) 圖;?(b)不同放電倍率下的倍率性能; (c)LTO/rGO/SnO₂納米復合材料在20C倍率下的比容量;?(d) LTO/rGO/SnO₂@LFP納米復合材料的倍率性能;?(e) 顯示“LNTU”圖案的LED小燈泡被點亮;?(f) 文獻中LTO基全電池的能量和功率密度的Ragone圖比較

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總結

總之，作者采用簡單的三步水熱法合成了LTO/rGO/SnO₂納米復合材料，通過形成Ti-O-C鍵、Sn-O-C和Sn-O-Ti鍵使復合材料具有優異的結構穩定性。通過三維rGO網絡和在LTO晶格上摻雜Sn離子提高了LTO的電子傳輸能力。通過添加rGO和SnO₂顯著提高了LTO的比表面積，縮短了Li⁺和電子的傳輸路徑。

LTO的比容量、倍率性能和循環穩定性在LTO/rGO/SnO₂納米復合材料中得到了極大的提高。在0.5C倍率下，首次放電比容量為1059.7 mAh/g。5次循環后庫侖效率接近99.9%，每個周期的容量保持率接近100%。經過1000次循環后，LTO/rGO/SnO₂的比容量為603.5mAh/g (LTO~143.3mAh/g)，在20C下仍高達445.2mAh/g (LTO~88.6)。LTO/rGO/SnO₂@LFP全電池具有130.56 Wh·kg^?1的高能量密度和2868.5 W·kg^?1的高功率密度。第一性原理計算證實，添加rGO和SnO₂可以提高LTO的導電性，更有利于電子傳導，有助于改善電極的反應動力學，促進電荷轉移，提高Li⁺在電極材料中的擴散速率，使其具有良好的倍率性能和穩定的循環性能。

相關論文發表在Advanced Functional Materials上，遼寧工程技術大學王鳴副教授 (ORCID: 0000-0003-0453-3069) 為第一作者兼通訊作者，昆士蘭科技大學閆誠?(Cheng Yan) 教授 (ORCID: 0000-0002-4909-439X) 為通訊作者。

文獻鏈接：Wang M, Fang P F, Chen Y, et al. Synthesis of Highly Stable LTO/rGO/SnO₂?Nanocomposite via In Situ Electrostatic Self‐Assembly for High‐performance Lithium‐Ion Batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2023: 2213902.?https://doi.org/10.1002/adfm.202213902

本文由作者供稿

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