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必赢娱乐网址非但没有破坏电极材料在有机电解液体系下的电化学性能,该物质应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池

清华材料学院唐子龙研究组在超长寿命高倍率锂离子电池材料方面取得突破


清华新闻网9月21日电
9月20日,清华大学材料学院唐子龙教授研究组在《自然
通讯》上发表题为《一种钛酸锂水合物——用于快速充放电且稳定循环的锂离子电池》的研究成果。该成果针对钛基储能材料领域,报道了一系列钛酸锂水合物,应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池,有效拓展了储能材料的研究范围,并提供了电极材料改性的新思路。

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图1. Li2O-TiO2-H2O三元相图及钛酸锂水合物的合成路线图。

目前常用的锂离子电池均采用有机电解液,其中所含的电解质六氟磷酸锂是一种遇水易分解的物质,因此传统观念中锂离子电池的电极材料都是需要在高温下煅烧来充分除水。但是这会使得材料发生颗粒团聚和晶粒粗化等难以避免的副反应。而唐子龙教授研究团队发现的锂-氢-钛-氧体系材料与目前国内外报道的性能优异的锂-钛-氧体系、钛-氧体系材料相比,具有相当甚至更加优异的电化学性能。作为含“水”的电极材料,这类钛酸锂水合物能够在高电压有机电解液体系中实现长达上万次的稳定循环,这打破了人们的传统认知。在材料晶体内部牢固结合的所谓“结晶水”,非但没有破坏电极材料在有机电解液体系下的电化学性能,反而促进了晶体结构的多样性以及纳米复合材料的构筑,从本质上提高了材料的离子扩散系数。

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图2. 钛酸锂水合物合成过程及材料快速嵌锂/脱锂过程的示意图。

运用锂-氢-钛-氧体系材料的改性新思路及其本质性、普适性的特征规律,可以拓展该体系电极材料性能调整及优化的自由度,还有望对其它含氢组分的过渡金属化合物体系在能源材料领域的应用提供较大的启发与指导依据。

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图3.
钛酸锂水合物前驱体在加热脱水过程中的X射线衍射分析以及电化学性能对比图。

论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授、美国阿贡国家实验室的陆俊研究员和美国麻省理工学院的李巨教授,第一作者是清华大学材料学院2012级博士生王诗童。该研究得到了国家自然科学基金、美国国家科学基金以及美国能源部等项目的资助。

论文链接:

供稿:材料学院 编辑:华山

据外媒报道,清华大学、麻省理工学院及阿贡国家实验室(Argonne National
Laboratory)共同发现了一系列全新的钛酸锂水合物(lithium titanate
hydrates),相较于Li2O–TiO2材料,其电化学性能(electrochemical
performances)较好。该物质应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池,有效拓展了储能材料的研究范围,并提供了电极材料改性的新思路。

在35℃试验温度下,全新的钛酸锂水合物的比容量约为130 mA h/g(在100秒内完全充满电)并实现10000次充放电过程,其每充放电周期的容量衰减为0.001%。据该团队透露,其发现了上述钛酸锂水合物,并优化了脱水纳米结构(nanostructuring,ODIN)。

当科研人员在实验室内测试上述材料时(1万多次充放电周期),其循环稳定性有所提升,而电量衰退幅度微乎其微。此外,该团队发现,这类电量的充电时间不足2分钟。

阿贡国家实验室电池科研人员Jun
Lu指出,大多数情况下,对于非水锂离子电池(non-aqueous lithium-ion
batteries)而言,水是不利于其的物质。然而,对该款电池材料而言,结果却截然相反。

该研究团队采用各类先进的表征技术(advanced characterization
techniques)使材料受热,从而追踪器复合物及结构变化,如:X射线衍射(x-ray
diffraction)。该技术由阿贡国家实验室旗下的先进光子源(Advanced Photon
Source)提供。

当分析综合表征特性时,该团队提升了材料的结构多样性并采用了纳米结构,其阳极材料内的捕获水(trapped
water)可提升电池性能。

Jun Lu表示,水在自然界内可谓无处不在,也是化学合成(chemical
synthesis)所需的常见原材料。该研究所采用的方法或将为探寻其他高性能电极材料开启新的大门。(本文图片选自greencarcongress.com)

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