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劉美林/林春富/袁濤Adv. Sci.: 一種在廣泛溫度范圍內的高性能鋰存儲材料

劉美林/林春富/袁濤Adv. Sci.: 一種在廣泛溫度范圍內的高性能鋰存儲材料
現有的鋰離子電池(LIBs)電極材料在低溫下的倍率性能普遍較差,嚴重限制了其在冬季和寒冷氣候地區的應用。因此,非常需要開發一種在低溫下具有良好電化學性能的電極材料。
劉美林/林春富/袁濤Adv. Sci.: 一種在廣泛溫度范圍內的高性能鋰存儲材料
在此,美國佐治亞理工學院劉美林教授、青島大學林春富教授及上海理工大學袁濤副教授等人通過靜電紡絲和隨后在H2氣氛中900 °C下煅燒4小時,成功合成了部分還原的亞微米直徑TiNb24O62 (PR-TNO) 纖維,該PR-TNO樣品的晶體結構類似于Ti2Nb10O29。當用作LIB負極時,PR-TNO表現出快速的質量和電荷傳輸特性。
首先,PR-TNO的ReO3型層狀晶體結構為快速Li+傳輸和存儲提供了充足的空間,尤其是在低溫下,其顯示出顯著的電容行為。
其次,PR-TNO擴大了層間距,進一步促進了層間Li+的傳輸。第三,PR-TNO相對較高的操作電位導致其初級粒子上涂覆了非常薄的固體電解質界面 (SEI) 膜,從而允許電解質和PR-TNO晶格之間的快速Li+傳輸。最后,PR-TNO中部分還原的鈦和鈮離子(如Ti3+和Nb4+)增強了電子導電性。
劉美林/林春富/袁濤Adv. Sci.: 一種在廣泛溫度范圍內的高性能鋰存儲材料
圖1. PR-TNO氧化還原機理和電化學動力學
這些固有特性的增強使PR-TNO在低溫下具有良好的電化學動力學。在-20 °C時,PR-TNO在0.1C時提供了313 mAh g-1的高可逆容量,達到25 °C時的83.3%。PR-TNO進一步顯示出高倍率能力,-20°C 時5C與0.5C容量比為58.3%,僅略低于25°C(5C與0.5C容量比為60.7%)。
令人興奮的是,PR-TNO還表現出優異的循環穩定性,由于其非常穩定的晶體結構,最大體積變化僅為7.9%,因此在5C下長達1680次循環后容量保持率高達 99.2%。此外,通過各種最先進的表征系統地研究了PR-TNO的工作機制,包括變溫原位XRD、原位TEM、非原位XPS、HRTEM和STEM。本研究中獲得的方法和見解可能適用于其他用于低溫運行的高性能電極的結構和成分設計。
劉美林/林春富/袁濤Adv. Sci.: 一種在廣泛溫度范圍內的高性能鋰存儲材料
圖2. PR-TNO的Li+存儲性能
Partially Reduced Titanium Niobium Oxide: A High-Performance Lithium-Storage Material in a Broad Temperature Range, Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202105119

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