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图1. a–d 不同形貌负极材料在锂离子嵌入过程中结构变化示意图[5]
微米纳米混合结构
上述两种方法可有效提高钛酸锂的倍率性能,但随着比表面积的增加,材料振实密度降低导致不可逆容量增加、体积能量密度降低。为有效克服这一缺点,制备微米—纳米混合结构材料,结合两种尺寸材料的优点以获得高性能钛酸锂是另一种提高材料性能的有效方法。
Tang等[8]利用水热高温煅烧方法制备的单分散性Li4Ti5O12介孔微球符合这一思路,粒径在200~400nm的微球孔间隙为5~10nm,可保存纳米粒子的优良特性和高振实密度;这种材料在30C倍率下具有114mAh/g的高比容量,且以20 C倍率充放电200次循环后仍可保持125mAh/g的比容量,表现出作者所说的超高倍率循环特性。
2. 材料表面改性
提高钛酸锂倍率性能的另一途径是通过表面改性克服其低导电性的缺点,通过碳材料包覆、金属材料复合、有机无机材料复合、离子掺杂改性是很好的解决方案。
碳包覆
通将含碳物质加热分解导电碳可以分散或包覆于颗粒表面,结合碳材料优良的导电性能以及钛酸锂的高循环稳定性,碳包裹的钛酸锂电极材料具有更高的导电性和能量密度。同时,碳膜的形成可以有效抑制纳米粒子团聚,从而提升了电池的循环稳定性。各种材料包括葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、聚乙烯醇、聚苯胺、氧化石墨烯、沥青等均可作为碳源前驱物与钛酸锂混合或在合成前与TiO2、Li2CO3等前体物混合,通过水热、高温煅烧碳化等方法合成碳包覆高性能钛酸锂负极材料。但另一方面,碳包覆层的存在在充放电过程中一定程度上会阻碍锂离子的脱嵌。克服这一负面效应的方法是包覆具有纳米结构的钛酸锂,诸如纳米杆、孔洞球体和纳米粒子等。减小尺寸增大比表面积以便于锂离子进行晶格扩散,也有助于电极与电解液的接触。
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