中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：Li4Ti5O12作為鋰離子電池的負(fù)極材料，主要缺點(diǎn)在于電子電導(dǎo)能力太差，純Li4Ti5O12的電導(dǎo)率小于10-13 S/cm，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)只有10-9 –10-13 cm2 s-1，導(dǎo)致倍率性能不佳，從而限制了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。因此研究者們從降低Li4Ti5O12顆粒尺寸和表面包覆兩方面來對(duì)Li4Ti5O12進(jìn)行改性。降低顆粒才尺寸能夠縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，因此電極材料的電化學(xué)活性或倍率性能可以得到提高;表面包覆能夠提高表面電導(dǎo)率，促進(jìn)電極材料間的接觸。目前報(bào)道的對(duì)Li4Ti5O12表面包覆的方法雖然能夠提高倍率性能，但是大多數(shù)方法過程復(fù)雜或者需要在高溫條件下才能實(shí)現(xiàn)(>600 ℃)。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室胡勇勝課題組首次使用離子液體作為碳的前驅(qū)體，對(duì)多孔Li4Ti5O12的進(jìn)行表面包覆。與傳統(tǒng)的固態(tài)碳源前驅(qū)體相比，離子液體由于具有流動(dòng)性質(zhì)更容易深入多孔材料中，而且在較低的蒸汽壓下，裂解溫度范圍較寬 (400-1000 ℃)，也不伴隨快速的溶劑蒸發(fā)，這些都有利于在顆粒表面形成均勻的包覆薄層。此外，通過選擇不同類型的離子液體還可以調(diào)節(jié)包覆層的組成。因此使用離子液體作為前驅(qū)體，對(duì)于調(diào)節(jié)包覆層和表界面的組成和性質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)對(duì)于材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化尤為重要。
該研究組首先采用以前報(bào)道的噴霧干燥法制得多孔Li4Ti5O12，離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作為前驅(qū)體，使用不同量的離子液體與Li4Ti5O12混合，并在氬氣中600 ℃ 煅燒。通過表征發(fā)現(xiàn)，合成的多孔Li4Ti5O12碳包覆層中含有N元素，對(duì)比碳包覆的不含有N元素的多孔Li4Ti5O12，這種N摻雜有利于提高電池的倍率性能。
這種N摻雜碳包覆的多孔Li4Ti5O12之所以表現(xiàn)出極好的倍率性能和循環(huán)性能，主要原因有三：一是表面經(jīng)過N摻雜碳層的包覆，在提高材料的電子導(dǎo)電性的同時(shí)也有利于提高Li4Ti5O12的表面穩(wěn)定性;二是在Li4Ti5O12與N摻雜碳層之間形成的中間相有利于界面間的電子傳輸;三是在Li4Ti5O12顆粒中形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更有利于鋰離子的嵌入/脫出。
該課題組提出的使用離子液體作為碳的前驅(qū)體來修飾電極材料，得到的材料表面包覆著均勻的薄薄的N摻雜碳層，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。該合成方法相對(duì)簡(jiǎn)單、有效，可以延伸到其他電化學(xué)器件的電極材料中。研究工作發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
