赵东元院士|高储锂性能N掺杂TiO2@C复合纳米球

能源学人

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目前，锂离子电池性能的提升速度总是赶不上社会发展的需求。尤其是在一些电子产品方面，人们总是通过不断优化产品系统和提升元件的节能性能来降低电量的消耗。因此，发展更高性能的锂离子电池（长寿命、高能量和功率密度）已经迫在眉睫，而实现这一目标的主要途径之一就是提升电极材料的性能。

图1.N掺杂TiO₂@C复合纳米球的SEM图像(a,b)、TEM图像和SAED图像(c)、HRTEM图像(d)。

TiO₂因兼具成本低，储量丰富，循环稳定性优异，嵌锂电位稳定以及安全性良好等优点而被认为是极具应用前景的锂电负极材料。基于此，复旦大学赵东元院士课题组Zhu Hongwei等人在非离子表面活性剂正十二胺和泊洛沙姆F127（ 聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物） 辅助下采用溶胶-凝胶法合成了一种高储锂性能的N掺杂TiO₂@C复合纳米球。

图2.N掺杂TiO₂@C复合纳米球较纯TiO₂纳米球的电化学性能

电化学性能测试表明：在0.5C下循环200次，可逆容量高达~167mAh g^-1；同时高倍率性能异常优异，在高达10C的电流密度下循环2000次，可逆容量仍达~117mAh g^-1。作者认为材料性能良好有以下几个原因：

1.所合成的纳米球不仅具有高达~120m²g^-1的比表面积和较大的孔径(4~40nm)，而且球形颗粒粒径在50nm左右，这些可以为Li+的扩散和进入提供更多的活性位；

2.N掺杂碳层均匀的包覆在TiO₂颗粒表面，而且碳层之间还相互衔接，形成了非常良好的导电网络，提高了材料的活性和容量可逆性；

3.N掺杂还可提供额外的活性储锂位点并非常利于Li+的脱嵌；

4.碳网能够抑制TiO₂脱嵌锂过程中体积过大变化。

包覆碳用于改善电极材料性能已经数见不鲜，但是如何将碳层包覆的恰到好处，即厚度均匀，包覆完整和导电性好，也是值得让我们去不断学习和探索的。

图3.N掺杂TiO₂@C复合纳米球的合成示意图

材料制备过程

N掺杂TiO₂@C复合纳米球的合成：将0.5g正十二胺和0.9g F127加入到100mL乙醇中并搅拌，随后加入10mL去离子水。然后，室温下滴加0.75mL的TBOT（钛酸四丁酯），搅拌1h后有白色沉淀生成，之后静止12h再离心分离出沉淀，并用无水乙醇和去离子水洗涤数次，在60°C下干燥洗涤产物。最后，将干燥产物在在氮气氛围下700°C煅烧4h。作为对比， 纯的TiO2纳米球也是采用溶剂热法得到前驱体并在空气氛围中700°C煅烧4h后得到。

参考文献及声明

Hongwei Zhu, Yunke Jing, Manas Pal, Yupu Liu, Yang Liu, Jinxiu Wang, Fan Zhang, Dongyuan Zhao, Mesoporous TiO2@N-doped Carbon Composite Nanospheres Synthesized by Direct Carbonization of Surfactants after Sol-gel Process for Superior Lithium Storage,  Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C6NR08885F 

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