清华材料学院唐子龙课题组: 在高倍率锂离子电池材料方面再获突破

近日,清华大学材料学院唐子龙课题组在 Adv. Energy Mater. 上发表封面文章,题为“Glass‐Ceramic‐Like Vanadate Cathodes for High‐Rate Lithium‐Ion Batteries”。该研究在高倍率钛酸锂水合物电极材料(Nature Communications, 2017, 8: 627)的研究基础上,进一步解决了纳米电极材料低体积能量密度、低库伦效率及容量迅速衰减等问题。

    在锂离子电池中,纳米电极材料具有短程离子扩散距离和快速反应动力学的优势,但是过高的比表面积使其在电极制备和循环过程中易发生颗粒团聚并与有机电解液发生严重副反应;而微米级电极材料虽然可以有效降低与电解液的接触面积,提高压实密度,但是其离子扩散能力通常不足以满足离子短时间的快速嵌入和脱出。因此,设计一种同时具有快速离子通道和低比表面积的微米级致密纳米晶材料可有效解决上述问题。

    与传统自下而上合成纳米-微米材料的方法(如喷雾造粒、共沉淀自组装等)不同,该研究采用了一种自上而下的微米-纳米材料合成策略——首先合成微米级钒酸盐前驱体,再通过低温相转变过程引入类玻璃-陶瓷相中间态,同时晶粒发生细化,从而得到微米级致密纳米晶电极材料。这种具有类玻璃-陶瓷相的钒酸盐电极材料不仅具有丰富的晶界/相界面,以保证锂离子的快速传输,同时具有较小的比表面积,以减少与电解液之间的表面副反应。基于上述优势,该钒酸盐正极材料表现出优异的大倍率、高容量和长循环的电化学性能。这一合成策略对其他前驱体为水合物的过渡金属氧化物电极材料同样具有普适性,也为储能材料中的微米-纳米结构设计提供新思路。该论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授、美国麻省理工学院王诗童博士和董岩皓博士,第一作者是清华大学材料学院博士生李禹彤。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

清华材料学院唐子龙课题组: 在高倍率锂离子电池材料方面再获突破 图1 热处理过程中的(a)原位XRD,(b)小角度区域的等值线图,和(c)晶粒尺寸变化.;(d)热处理过程中相转变示意图。

清华材料学院唐子龙课题组: 在高倍率锂离子电池材料方面再获突破图2 类玻璃-陶瓷相钒酸盐正极材料的(a-d)电化学性能,以及(e)与其他钒基正极材料的倍率性能对比。

清华材料学院唐子龙课题组: 在高倍率锂离子电池材料方面再获突破

Yutong Li, Shitong Wang, Yanhao Dong, Yong Yang, Zhongtai Zhang, Zilong Tang, Glass-Ceramic-Like Vanadate Cathodes for High-Rate Lithium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201903411

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参考文献:Adv. Energy Mater.