物理所长寿命储能型锂离子电池关键材料Li4Ti5O

2011-8-31 11:33 来源: 中国科学院
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  锂离子电池以其高能量、高功率密度等特点,在小型移动电子设备上得到了广泛应用,目前正致力于开发电动汽车以及智能电网用长寿命锂离子储能电池。尖晶石结构的Li4Ti5O12作为一种新的负极材料,正逐渐成为研究热点。Li4Ti5O12其电位平台在1.54V,高的电位平台避免了锂枝晶的形成,从而提高了电池的安全性能;同时在锂离子嵌入/脱出过程中的体积“零应变”,具有潜在的循环性好的优势。纯Li4Ti5O12为宽带隙材料,具有低的电子电导率,无法在大电流密度下进行充放电;而且以Li4Ti5O12为负极的锂离子电池在使用和贮存过程中由于表面催化反应,有持续胀气问题,带来一定安全隐患和降低循环寿命。对其进行表面包覆是解决其问题的有效途径之一,但如何得到均匀的包覆层以及实现在较低温度下得到高电导率的包覆层一直是一个重要的技术难题。

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室黄学杰研究组的博士生赵亮与胡勇胜研究员等,提出了一种利用含氮元素离子液体实现均匀薄层(1-2nm)含氮元素掺杂碳包覆Li4Ti5O12负极材料的技术,包覆改性后的材料显示了突出的循环性(半电池循环2000次容量保持率83%)与倍率特性(在10C(6分钟充放电)倍率下容量保持率80%,容量为129 mAh/g)。这种方法的优点在于:离子液体具有较低的蒸汽压,在热处理过程中不会有溶剂挥发的问题,所以易于形成均匀的包覆层;离子液体有种类丰富的阴、阳离子可以选择,便于调节其中氮的构型和含量。此外,该低温包碳方法还可以推广到对其它电极材料的包覆。以上工作发表在Adv. Mater.(23, 1385-1388, 2011)上。

  为了进一步研究氮元素掺杂包碳的机理,与陆兴华研究组的博士生丁子敬和孟胜研究员合作,构建了graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面结构模型,获得了界面电荷转移的图像,间接说明通过氮掺杂可以提高表面电导;通过包覆,可以消除Li4Ti5O12表面的不饱和悬键,有利于提高其循环稳定性,也可能有利于解决Li4Ti5O12基锂离子电池的胀气问题。以上工作发表在Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 15127-15133, 2011上,并申请了相关发明专利。

  上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、中国科学院知识创新工程能源项目群方向性项目、中国科学院百人计划、基金委能源项目群重点项目以及广东省科技厅的支持。

  文章链接:

  1.Porous Li4Ti5O12 Coated with N-Doped Carbon from Ionic Liquids for Li-Ion Batteries

  2.Towards understanding the effects of carbon and nitrogen-doped carbon coating on the electrochemical performance of Li4Ti5O12 in lithium ion batteries: a combined experimental and theoretical study

图1:氮元素掺杂碳包覆的Li4Ti5O12的表征结果:(A)为透射电镜图片,可以看出颗粒表面形成了均匀的无定型包覆层;(B)为包覆前后样品的XPS,包覆后出现了氮元素的峰。

 

图2:氮元素掺杂碳包覆的Li4Ti5O12的倍率性能(A)和半电池的循环性能(B),(B)图插图是原始样品的循环性能。

图3:(A) CVD方法制备的碳包覆Li4Ti5O12样品,可以看出表面有1-2层的graphene包覆层;(B) graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面模型的侧视图,Li4Ti5O12界面为Ti原子终止层。