研究论文|多级碳结构的钛酸锂复合高性能锂离子电池负极材料的可控合成

中文摘要

    本文提出了一种温和可控的方法，通过钛酸锂前驱体、酚醛树脂与石墨烯合成具有多孔结构的钛酸锂负极材料。该多孔负极材料表现出多级的结构。受益于独特的结构，钛酸锂复合材料表现出高比表面与高电导率。相比于一般的钛酸锂，该复合材料的电化学性能得到了显著的提升。

研究背景及意义

    锂离子电池作为一种重要的储能方式，其当前的商业化使用仍然有很多问题需要优化，比如正负极材料、电解液、隔膜等等。其中在负极材料方面，钛酸锂因其合适的充放电平台（1.5V vs Li/Li+，能避免SEI膜的形成）、在充放电过程中的“零应变”、高可逆循环性、高结构稳定性而被认为是一种非常有潜力的快速充放电锂离子电池负极材料。但是其本身低电导率、大颗粒结构导致了该材料在充放电过程中的高极化、低锂离子传导率、低容量、低倍率性能等问题。

    本文通过简易的自组装方法，由酚醛树脂和石墨烯构造了多级碳结构修饰的钛酸锂复合材料。该结构不但降低了钛酸锂的颗粒粒径，而且通过多孔碳结构显著提升了材料的电导率和离子传导率，显著优化了钛酸锂的在充放电中的表现。其中，在30C的充放电条件下仍能保持119 mAh/g的优异性能，相比于未修饰的钛酸锂颗粒，提升了30%以上。

研究内容及主要结论

    在这个溶胶凝胶法的合成过程中，先将液态的酚醛树脂材料均匀地分散在钛酸锂的前驱体中，实现初步的碳包覆结构构造。随后，在分散体系中进一步加入石墨烯。石墨烯上的含氧官能团能够帮助石墨烯与酚醛树脂包覆的钛酸锂前驱体的自组装过程。最后，将分散体系烘干并高温焙烧得到拥有多级碳包覆结构的钛酸锂复合材料（LTO/C/rGO）。     

    在多孔碳结构的限制下，钛酸锂的一次粒径被限制到仅有100-200nm（图1），显著降低了颗粒粒径，并增大了材料的比表面积，促进材料与电解液的充分接触，促进锂离子的迁移。

图1 LTO/C/rGO复合材料的一次粒径的TEM表征图

    并且在碳结构的帮助下，材料的电导率显著提高，优化了钛酸锂因低电导率带来的高极化等问题。在30C充放电条件下，未包覆的钛酸锂材料、仅用酚醛树脂形成碳包覆的材料、多级结构的LTO/C/rGO材料在30C快速充放电条件下的比容量分别为90 mAh/g，110 mAh/g和119 mAh/g（图2）。并且，在10C条件下，LTO/C/rGO材料在百圈循环甚至没有发现容量衰减（图3）。

图2 三种钛酸锂材料的倍率性能测试

图3 LTO/C/rGO复合材料的循环倍率测试

原文信息

Facile controlled synthesis of hierarchically structured mesoporous Li₄Ti₅O₁₂/C/rGO composites as high-performance anode of lithium-ion batteries

Cehuang FU, Shuiyun SHEN, Ruofei WU, Xiaohui YAN, Guofeng XIA, Junliang ZHANG

作者单位：

Institute of Fuel Cells, Key Laboratory of Power and Machinery Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Abstract：

In this paper, a facile strategy is proposed to controllably synthesize mesoporous Li₄Ti₅O₁₂/C nanocomposite embedded in graphene matrix as lithium-ion battery anode via the co-assembly of Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) precursor, GO, and phenolic resin. The obtained composites, which consists of a LTO core, a phenolic-resin-based carbon shell, and a porous frame constructed by rGO, can be denoted as LTO/C/rGO and presents a hierarchical structure. Owing to the advantages of the hierarchical structure, including a high surface area and a high electric conductivity, the mesoporous LTO/C/rGO composite exhibits a greatly improved rate capability as the anode material in contrast to the conventional LTO electrode.

Keywords:

Li₄Ti₅O₁₂, phenolic-resin-based carbon, mesoporous composite, graphene

Cite this article

Cehuang FU, Shuiyun SHEN, Ruofei WU, Xiaohui YAN, Guofeng XIA, Junliang ZHANG. Facile controlled synthesis of hierarchically structured mesoporous Li₄Ti₅O₁₂/C/rGO composites as high-performance anode of lithium-ion batteries. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0798-0

    Frontiers in Energy （SCI，2021 IF 2.964）)于2007年创刊，是全英文能源领域综合性学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

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