上海交大章俊良課題組：多級碳結構的鈦酸鋰復合高性能鋰離子電池負極材料的可控合成

FIE能源前沿期刊 2022-10-31 09:42:12

中文摘要

本文提出了一種溫和可控的方法，通過鈦酸鋰前驅體、酚醛樹脂與石墨烯合成具有多孔結構的鈦酸鋰負極材料。該多孔負極材料表現出多級的結構。受益于獨特的結構，鈦酸鋰復合材料表現出高比表面與高電導率。相比于一般的鈦酸鋰，該復合材料的電化學性能得到了顯著的提升。

研究背景及意義

鋰離子電池作為一種重要的儲能方式，其當前的商業化使用仍然有很多問題需要優化，比如正負極材料、電解液、隔膜等等。其中在負極材料方面，鈦酸鋰因其合適的充放電平臺（1.5VvsLi/Li+，能避免SEI膜的形成）、在充放電過程中的“零應變”、高可逆循環性、高結構穩定性而被認為是一種非常有潛力的快速充放電鋰離子電池負極材料。但是其本身低電導率、大顆粒結構導致了該材料在充放電過程中的高極化、低鋰離子傳導率、低容量、低倍率性能等問題。

本文通過簡易的自組裝方法，由酚醛樹脂和石墨烯構造了多級碳結構修飾的鈦酸鋰復合材料。該結構不但降低了鈦酸鋰的顆粒粒徑，而且通過多孔碳結構顯著提升了材料的電導率和離子傳導率，顯著優化了鈦酸鋰的在充放電中的表現。其中，在30C的充放電條件下仍能保持119mAh/g的優異性能，相比于未修飾的鈦酸鋰顆粒，提升了30%以上。

研究內容及主要結論

在這個溶膠凝膠法的合成過程中，先將液態的酚醛樹脂材料均勻地分散在鈦酸鋰的前驅體中，實現初步的碳包覆結構構造。隨后，在分散體系中進一步加入石墨烯。石墨烯上的含氧官能團能夠幫助石墨烯與酚醛樹脂包覆的鈦酸鋰前驅體的自組裝過程。最后，將分散體系烘干并高溫焙燒得到擁有多級碳包覆結構的鈦酸鋰復合材料（LTO/C/rGO）。

在多孔碳結構的限制下，鈦酸鋰的一次粒徑被限制到僅有100-200nm（圖1），顯著降低了顆粒粒徑，并增大了材料的比表面積，促進材料與電解液的充分接觸，促進鋰離子的遷移。

圖1LTO/C/rGO復合材料的一次粒徑的TEM表征圖

并且在碳結構的幫助下，材料的電導率顯著提高，優化了鈦酸鋰因低電導率帶來的高極化等問題。在30C充放電條件下，未包覆的鈦酸鋰材料、僅用酚醛樹脂形成碳包覆的材料、多級結構的LTO/C/rGO材料在30C快速充放電條件下的比容量分別為90mAh/g，110mAh/g和119mAh/g（圖2）。并且，在10C條件下，LTO/C/rGO材料在百圈循環甚至沒有發現容量衰減（圖3）。