Small：低溫鋰離子電池用鈰修飾TiNb2O7納米顆粒工程研究

導讀

目前，低溫鋰離子電池在航天工程以及極地科考等重要領域有著十分廣闊的前景。但目前傳統鋰離子電池在極端條件下特別是低溫下的運行面臨著嚴峻的挑戰，低溫條件下出現的負極析鋰嚴重，容量下降等問題極大影響了鋰離子電池的性能發揮。因此，改善低溫對鋰電性能的影響，解決低溫條件下鋰電極較低的離子和電子電導率的問題，這對電極材料的提出了更為苛刻的要求。

成果掠影

近日，山東科技大學白雪、姚樹玉與山東大學李濤聯合報道了一種利用稀土元素Ce摻雜改性TiNb₂O₇的方法，改善了TNO負極的電化學性能，實現了在低溫條件下的有效應用。該工作合成了電化學性能優異的Ce改性的TNO納米顆粒。在晶格中成功引入Ce后，晶面間距增大，晶粒細化，氧空位增加，鋰擴散勢壘減小，協同增強離子電導和電子電導。最終制備的Ce改性的TNO在-20℃的低溫下，超長循環1500圈以后依舊保持較高的比容量。相關研究成果以“Engineering of cerium modified TiNb₂O₇?nanoparticles for low-temperature lithium-ion battery”為題，發表在國際著名期刊“Small”上，第一作者為山東科技大學研究生于庚辰。

數據概覽

圖1 (a) P-TNO, 2Ce-TNO, 5Ce-TNO和8Ce-TNO的XRD圖譜，(b) (300)和(011)衍射峰的放大圖。(c) 拉曼光譜和(d) 部分峰的放大圖。P-TNO和5Ce-TNO的(e) Ti 2p，(f) Nb 3d和(g) Ce 3d高分辨率XPS光譜。

圖2 (a) P-TNO和(b) 5Ce-TNO在0.3 mV s^?1下初始三個周期的CV曲線。(c)?氧化還原峰之間的電壓差(ΔE)和(d) P-TNO和5Ce-TNO在100 mA g^?1電流密度下第5次循環的充放電曲線。(e) 電流密度100 mA g^?1時的循環性能;(f)?室溫下P-TNO、2Ce-TNO、5Ce-TNO和8Ce-TNO在1000 mA g^?1下的長期循環性能和相應的庫侖效率。(h)?商用LFP和5Ce-TNO半電池的充放電曲線，以及5Ce-TNO//LFP全電池在100 mA g^?1下的循環性能。

圖3 (a) GITT曲線和(b) P-TNO和5Ce-TNO計算的D_Li⁺。(c) (αhν)^1/2隨hν的變化曲線。(d) P-TNO和5Ce-TNO低頻區的Nyquist圖和(e) Z′vs. ω^?1/2圖，(d)中插入的是等效電路模型。(f)不同掃描速率下5Ce-TNO的CV曲線。(g) P-TNO和5Ce-TNO氧化峰Log(峰電流)與Log(掃描速率)的關系。(h) 2.0 mV s^?1下5Ce-TNO的電容貢獻和擴散貢獻。(i)不同掃描速率下P-TNO和5Ce-TNO的贗電容貢獻百分比。

圖4?-20℃下的電化學行為:(a) P-TNO和5Ce-TNO在100 mA g^?1下的循環性能，(b) TNO和5Ce-TNO在500 mA g^?1下的長循環性能和相應的庫倫效率，(C) GITT曲線，(d) 5Ce-TNO的計算D_Li⁺，(e) P-TNO和5Ce-TNO的Nyquist圖。

成果啟示

綜上所述，采用簡單的溶劑熱法制備了摻雜稀土元素Ce的TNO納米顆粒。結合一系列表征技術和理論計算，證明了Ce摻雜效應顯著提高了TNO電極的離子電導率和電子電導率。此外，在摻雜后觀察到顯著的贗電容行為。結果表明，優化后的5Ce-TNO樣品在3200 mA g^-1下具有優異的倍率性能，在室溫下1000 mA g^-1下具有長期的循環穩定性。此外，即使在-20°C的低溫下，在500 mA g ^-1下循環1500次后仍然保持較高的比容量。簡單的合成方法和改性策略不僅為提高鋰離子電池TNO負極的性能提供了途徑，也為鋰離子電池在低溫下的大規模應用提供了可能。

原文詳情：

Yu, J. Huang, X. Bai, T. Li, S. Song, Y. Zhou, N. Wu, S. Yao, X Lu, W. Wu, Engineering of cerium modified TiNb₂O₇nanoparticles for low-temperature lithium-ion battery. Small 20242308858. https://doi.org/10.1002/smll.202308858

本文由于庚辰供稿