AFM：原位静电自组装合成高稳定性LTO/rGO/SnO2纳米复合材料用于高性能锂离子电池

导读

锂离子电池具有能量密度高、无污染、无记忆效应、循环寿命长等优点，使其广泛应用于电动汽车、电子设备等领域。钛酸锂 (Li₄Ti₅O₁₂，LTO) 负极材料近年来引起了广泛关注。LTO的理论容量为175 mAh/g，充放电过程中晶格常数几乎没有变化，被称为“零应变”材料。同时，LTO具有优异的循环稳定性和高库仑效率。然而，LTO的理论容量低、导电性差，限制了其作为锂离子电池负极材料的发展。为了提高LTO的电化学性能，目前应用最多的是离子掺杂、表面复合改性技术。

成果掠影

近日，辽宁工程技术大学王鸣副教授 (Ming Wang) 团队和昆士兰科技大学闫诚(Cheng Yan) 教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题目为"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。该团队首次提出采用“一箭双雕”的策略，既实现了LTO与rGO和SnO₂的复合，又使Sn离子掺杂进LTO晶格中，使LTO的电化学性能有了突破性的提高，这项工作开辟了LTO基锂离子电池电极材料研究的崭新领域，推动了新能源领域的发展。为LTO的研究提供了很好的研究思路。

图文概览

图1 LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料制备工艺及电化学性能示意图

图2 LTO、LTO/rGO、LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料: (a) XRD图谱; (b) (111) 衍射峰的放大图谱; (c)XPS: O1光谱; (d) LTO纳米材料TEM图像和选区衍射插图; (e) LTO/rGO纳米复合材料的TEM图像; (f) LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料TEM图像和选区衍射插图; (g) LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料的STEM图像; (h), (i) LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料的HRTEM图像

图3(a) LTO、LTO/rGO和LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料的EIS (交流阻抗) 图; (b)不同放电倍率下的倍率性能; (c)LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料在20C倍率下的比容量; (d) LTO/rGO/SnO₂@LFP纳米复合材料的倍率性能; (e) 显示“LNTU”图案的LED小灯泡被点亮; (f) 文献中LTO基全电池的能量和功率密度的Ragone图比较

总结

总之，作者采用简单的三步水热法合成了LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料，通过形成Ti-O-C键、Sn-O-C和Sn-O-Ti键使复合材料具有优异的结构稳定性。通过三维rGO网络和在LTO晶格上掺杂Sn离子提高了LTO的电子传输能力。通过添加rGO和SnO₂显著提高了LTO的比表面积，缩短了Li⁺和电子的传输路径。

LTO的比容量、倍率性能和循环稳定性在LTO/rGO/SnO₂纳米复合材料中得到了极大的提高。在0.5C倍率下，首次放电比容量为1059.7 mAh/g。5次循环后库仑效率接近99.9%，每个周期的容量保持率接近100%。经过1000次循环后，LTO/rGO/SnO₂的比容量为603.5mAh/g (LTO~143.3mAh/g)，在20C下仍高达445.2mAh/g (LTO~88.6)。LTO/rGO/SnO₂@LFP全电池具有130.56 Wh·kg⁻¹的高能量密度和2868.5 W·kg⁻¹的高功率密度。第一性原理计算证实，添加rGO和SnO₂可以提高LTO的导电性，更有利于电子传导，有助于改善电极的反应动力学，促进电荷转移，提高Li⁺在电极材料中的扩散速率，使其具有良好的倍率性能和稳定的循环性能。

相关论文发表在Advanced Functional Materials上，辽宁工程技术大学王鸣副教授 (ORCID: 0000-0003-0453-3069) 为第一作者兼通讯作者，昆士兰科技大学闫诚 (Cheng Yan) 教授 (ORCID: 0000-0002-4909-439X) 为通讯作者。

文献链接：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