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氧空位和电场效应工程助力高性能锂离子电池


来源:materialsviewschina

[导读]  近日,中山大学童叶翔教授课题组与华南师范大学顾凤龙教授课题组和澳大利亚格里菲斯大学张山青教授课题组合作,通过调控石墨烯对钛酸锂(LTO)不同的包覆效果,制备了具有不同氧空位含量和电场效应的钛酸锂负极材料。

中国粉体网讯  合理设计纳米结构的电极材料对于发展高性能锂离子电池至关重要。由于氧空位和电场效应能够促进锂离子扩散和电子传输,最近在储能领域受到了广泛的关注。同时,还原氧化石墨烯(rGO)作为一种具有吸引力的二维碳材料,由于其优异的导电性,在储能领域展现出很高的应用前景,然而现在已报道的大多数方法只能将电极材料简单地分散到石墨烯片上,并不能起到良好的封装效果。因此,想要优化电极材料的电化学反应动力,可通过将电极材料定向地封装到三维石墨烯里,实现在原子级别调控材料的物理性质,使得不同相的界面之间产生相互作用 (例如氧空位和电场), 进而在电化学应用方面能够获得优异的性能。



图1. (a)CT-rGO@LTO复合材料SEM图;(b)CT-rGO@LTO复合材料的高分辨TEM图;(c)DFT模拟Li+ 在优化的CT-rGO@LTO模型中进行嵌锂过程;(d)CT-rGO@LTO复合物EPR图;(e)氧空位形成机理图;(f)CT-rGO@LTO电极的倍率性能;(g)CT-rGO@LTO电极的循环性能。(来源网络)


近日,中山大学童叶翔教授课题组与华南师范大学顾凤龙教授课题组和澳大利亚格里菲斯大学张山青教授课题组合作,通过调控石墨烯对钛酸锂(LTO)不同的包覆效果,制备了具有不同氧空位含量和电场效应的钛酸锂负极材料。研究者首先通过光电子能谱和拉曼测试揭示了复合材料中钛酸锂氧空位和石墨烯缺陷的形成机理: 由于复合材料CT-rGO@LTO中钛酸锂氧空位和石墨烯缺陷为同时产生,研究者推断是因为钛酸锂中的氧原子和石墨烯中的C原子在长时间的高温烧结中相互结合,导致了钛酸锂和石墨烯中的部分原子缺失。而石墨烯与钛酸锂之间的接触效果良好与否直接影响了C与O结合的概率,所以石墨烯对钛酸锂的封装效果决定了复合材料中氧空位的含量和石墨烯缺陷程度。为了更加深入地揭示Li+ 在充放电过程中的动力学行为,研究者进行了DFT模拟计算。发现Li+ 在含有缺陷的S掺杂石墨烯的钛酸锂复合样品中中进行充放电时,其Li+ 脱嵌的能垒只有5.66 eV,相对于在纯LTO中的能垒值大大降低。对每个样品的每种元素进行电荷密度计算发现CT-rGO@LTO复合材料内部发生了电荷再分布,这与各元素的XPS结合能偏移结果相互佐证,电荷再分布与氧空位一起在材料内部创造了电场效应,为电子和锂离子的传输创造了内置的驱动力,使得其电化学性得到大幅度改善。原位拉曼测试探究了石墨烯缺陷对LTO储锂的额外贡献。在进行充放电过程中D峰随着电压的变化而变化,说明缺陷在Li+ 脱嵌时也在有规律的变化,且这种变化是可逆的,意味着石墨烯除了能够提供良好的导电性外,其表面的缺陷对LTO材料有额外的储锂功能。rGO良好的封装效果带来了丰富的氧空位和强大的电场效应,使得锂离子和电子在钛酸锂材料各个方向都能被快速传导和转移,当CT-rGO@LTO电极分别用于锂负极和匹配组装全电池时,均表现出较高的比容量和优异的倍率性能。另外,由于电极材料被封装到三维石墨烯内部,在循环过程中电极材料不易脱落,循环更加稳定,在1 C和5 C下循环600和1500次容量保持率达到94.9%和87.1%。全电池的倍率性能与CT-rGO@LTO半电池测试时的倍率性基本能保持一致,在0.5 C下有139.4 mAh g-1,即便在10 C也还能保持109.7 mAh g-1,要优于许多已报道的文献。


这种可控的氧空位和电场效应调控策略也为设计和制备其它高性能电极材料提供了新思路。


(中国粉体网编辑整理/小虎)

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