Nat. Commun.：长寿命高容量的分级钛酸锂快充电池

【引言】                                         

电极中的离子和电子导通是构建高性能电池材料的关键。对于锂离子嵌入脱出类型的电极，这类问题尤为重要。通过减小材料的颗粒，优化形貌以及碳质材料包覆、离子掺杂，能够有效提高离子的导通性能。钛酸锂是一类脱嵌锂过程中零应变，化学性能稳定，循环性能良好的锂电材料。微米级钛酸锂材料由于粒度特点，通常能够表现出超高倍率循环特性，但首圈通常存在不可逆的容量损失，在高电压能量密度的电极加工过程时纳米颗粒也因其振实密度低而带来困难。解决这一问题的方法是合成多级结构材料，保证纳米颗粒形成更大的团聚体。多重孔道的结构能够保证液态电解液的有效渗入，从而激活纳米颗粒的电化学活性。

【成果简介】

法国里昂大学Fre ´de ´ric Chaput团队与波兰克拉科夫大学的同行合作，利用水热反应，将事先通过金属有机化合物在1,4-丁二醇中制备出的纳米颗粒再次进行组装，制备得到多级钛酸锂颗粒。材料组装成的半电池比容量可达170mAhg^-1，以50C大倍率循环下，经过1000次循环容量没有衰减。该项成果以“Hierarchically structured lithium titanate for ultrafast charging in long-life high capacity batteries”为题，发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1、所获钛酸锂的物相

（a，b）纯化干燥后的材料以及在乙醇中分散胶体的照片。

（c）由于材料的纳米特性，所得XRD图象的峰较宽。底部红色图线代表拟合后的残渣。

图2、材料的分级结构

（a）高度结晶的纳米颗粒的高分辨TEM照片。标尺长度为10 nm。

（b）单球聚集体的高分辨TEM照片。标尺长度为20 nm。

（c）纳米颗粒组成的球形聚集体的多孔海绵状结构。标尺长度为500 nm。

（d）扫描电镜照片显示所有的球面结构都排列成更大的结构。标尺长度为1um。流程示意图指示了纳米颗粒团聚成圆形结构的过程（150-500 nm），进而结合成更大的结构。

图3、电化学行为

（a）Li/Li⁺/LTO电池在0.5C倍率下的充放电数据。

（b）Li/Li+/LTO在50C倍率下首个1000圈循环的电化学行为，电流密度是8.76Ag ^-1。

（c）Li/Li+/LTO电池在50C倍率下的充放电数据。

（d）Li/Li+/LTO电池以500C的倍率放电。50C的倍率充电的数据。

【小结】

法国和波兰团队的研究者们利用水热法制备了纳米钛酸锂尖晶石颗粒。纳米颗粒的尺寸在4 nm-8 nm，自组装成多孔的二级结构，比表面积高达220m²g^-1。这种材料组装成的半电池在低倍率下的容量超过理论值，在50C倍率循环1000次后的可逆容量达到170mAh g ^-1而没有表现出衰退的迹象。

原文链接：Hierarchically structured lithium titanate for ultrafast charging in long-life high capacity batteries（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15636）

本文由材料人新能源学术组东海木子供稿，材料牛整理编辑。

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