清华大学深研院：传统锂电池负极材料Li4Ti5O12实现新突破

装电池的蛋蛋 8年前 (2016-07-05) 15334浏览

作为储能装置的一个典范——锂离子电池，因其具有高能量密度和高功率密度的特点而受到广泛研究。作为“零应变”材料，尖晶石型的钛酸锂（LTO）具有很多优点：1.充放电过程中体积几乎不发生变化，具有优异的循环性能；2.离子扩散速率较高，比碳负极高一个数量级，可以快速充电；3.较高的充放电平台（~1.55V）可以避免电解液的分解，电池安全性能好。因此，作为负极材料的钛酸锂能够大幅度提高锂离子电池的安全性、快充性能和使用寿命，并逐渐成为当今社会的研究热点。

然而，钛酸锂材料的本征离子和电子电导率仍然较低，为了实现其高功率特性，纳米尺度钛酸锂材料成为近年的研究热点。制备单分散纳米球形钛酸锂颗粒是降低钛酸锂材料不可逆容量的关键，但是制备均一单分散的钛酸锂前驱体材料以及维持其烧结后的球形形貌仍然是一个巨大的挑战。同时，目前纳米前驱体球形材料的制备存在一定困难，钛酸四丁酯等钛源遇水很容易团聚，不容易控制其形貌且均一性不好。虽然通过引入模版或者活性剂能够合成单分散的纳米球，但是热处理过程中其形貌的维持仍然是一个急需解决的难题。

近日，清华大学深圳研究生院康飞宇教授、李宝华教授、贺艳兵教授研究团队与佐治亚理工学院 Zhiqun Lin教授合作提出了一个十分有效的策略，用氮化钛做氮源来制备平均尺寸为120 nm的单分散纳米球形钛酸锂材料。其电化学倍率性能十分优越，首先，氮化钛在双氧水，氨水作用下溶解生成过氧化钛，在一个稳定温度的强碱性环境下，可以成功合成由TiO2/Li+组成的单分散前驱体，但是pH值的降低会导致前驱体球进一步长大。这说明氢氧根离子对于减缓过氧化钛的分解以及前驱体球的聚集长大起着至关重要的作用。有趣的是，通过原位粘接在TiO2/Li+纳米球表面均一的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)层在热处理过程中，很好地维持了其单分散球形结构和形貌，获得了性能优异的粒径约为120 nm单分散多孔球形钛酸锂，且振实密度达到1.1 g/cm3。电化学研究表明，其具有非常优异的倍率性能，如10 C充放电比容量达到151.1 mAh/g，甚至在80 C下充放电仍然能够达到108.9 mAh/g。另外，在10 C的充放电速率下，循环500次后其容量仍保持92.6%，体现了优异的电化学稳定性。