中國粉體網(wǎng)訊 近日，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院楊立教授團隊與重慶大學(xué)楊小龍等人合作，在能源類國際權(quán)威期刊《Advanced Energy Materials》上發(fā)表了題為“層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸釔鋰作為低電壓、高倍率鋰離子電池負極材料(Layered Perovskite Lithium Yttrium Titanateasa Low-potential and Ultrahigh-rate Anode for Lithium-ion Batteries)”的研究論文。該論文首次詳細研究了鈦酸釔鋰作為鋰離子電池低電壓、高倍率負極材料的潛在價值，為設(shè)計新型儲鋰穩(wěn)定的低電壓負極材料提供了新的思路。上海交通大學(xué)博士生張赟為論文的第一作者，楊立教授、章正熙副研究員和重慶大學(xué)楊小龍副教授為論文共同通訊作者，上海交通大學(xué)為第一通訊單位。
商用鋰離子電池石墨負極受限于其緩慢的鋰離子擴散動力學(xué)，導(dǎo)致倍率性能較差，限制了電池的快充能力。此外，石墨的工作電位為0.1Vvs.Li+/Li，接近金屬鋰的沉積電位，在大倍率快充等情況下可能會導(dǎo)致鋰枝晶的產(chǎn)生，對電池造成安全隱患。另一種嵌入型負極材料尖晶石鈦酸鋰(Li4Ti5O12)的工作電位位于1.55Vvs.Li+/Li附近，過高的電壓平臺和低的比容量(175mAhg-1)嚴(yán)重降低了鈦酸鋰電池的能量密度。因此，探索新型的具有高倍率和低電壓特性的負極材料具有重要意義。
圖1鈦酸釔鋰的結(jié)構(gòu)
基于此，本工作詳細研究了鈦酸釔鋰(LiYTiO4)作為鋰電負極的儲鋰特性。鈦酸釔鋰具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)由Li-O反螢石結(jié)構(gòu)層和Y-O鹽巖石結(jié)構(gòu)層與頂點共享的TiO6八面體層交替所構(gòu)成（圖1）。帶正電的(YO)22+層和帶負電的Li2O2)2-層間會產(chǎn)生內(nèi)電場，該內(nèi)電場垂直于層狀結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致TiO6八面體發(fā)生偏轉(zhuǎn)和位移，改變了Ti4+/Ti3+的氧化還原能量。
圖2鈦酸釔鋰負極的半電池性能
作為鋰電負極，鈦酸釔鋰的平均工作電壓為0.3Vvs.Li+/Li，可逆比容量達到230mAhg-1，更低的工作電壓和更高的比容量使得鈦酸釔鋰電池能量密度數(shù)倍于鈦酸鋰電池。此外，鈦酸釔鋰具有出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，其倍率比容量超過了大多數(shù)已報道的鈦基負極材料，在20C(1C=200mAg-1)下循環(huán)3000次后容量保持率高達98%。
圖3鈦酸釔鋰的儲鋰機理
利用一系列的表征和第一性原理計算，本工作還詳細探究了該類材料的儲鋰機理(圖3)。鈦酸釔鋰在鋰離子嵌入/脫嵌過程中會發(fā)生可逆的三階段固溶轉(zhuǎn)變，鋰離子可沿鈦酸釔鋰中的二維通道快速遷移，這一過程伴隨著微小的體積變化。
另外，在匹配磷酸鐵鋰(LiFePO4)正極后，鈦酸釔鋰全電池的能量密度為磷酸鐵鋰/鈦酸鋰全電池的2.4倍(圖4)，進一步表明鈦酸釔鋰作為低電壓、高倍率負極材料的潛在應(yīng)用價值。
圖4磷酸鐵鋰/鈦酸釔鋰電池與磷酸鐵鋰/鈦酸鋰電池能量密度對比
這項工作得到了科技部重點研發(fā)項目和國家自然科學(xué)基金面上項目的支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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