中國(guó)粉體網(wǎng)訊 合理設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的電極材料對(duì)于發(fā)展高性能鋰離子電池至關(guān)重要。由于氧空位和電場(chǎng)效應(yīng)能夠促進(jìn)鋰離子擴(kuò)散和電子傳輸，最近在儲(chǔ)能領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。同時(shí)，還原氧化石墨烯（rGO）作為一種具有吸引力的二維碳材料，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性，在儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出很高的應(yīng)用前景，然而現(xiàn)在已報(bào)道的大多數(shù)方法只能將電極材料簡(jiǎn)單地分散到石墨烯片上，并不能起到良好的封裝效果。因此，想要優(yōu)化電極材料的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力，可通過(guò)將電極材料定向地封裝到三維石墨烯里，實(shí)現(xiàn)在原子級(jí)別調(diào)控材料的物理性質(zhì)，使得不同相的界面之間產(chǎn)生相互作用 (例如氧空位和電場(chǎng)), 進(jìn)而在電化學(xué)應(yīng)用方面能夠獲得優(yōu)異的性能。
圖1. （a）CT-rGO@LTO復(fù)合材料SEM圖；（b）CT-rGO@LTO復(fù)合材料的高分辨TEM圖；（c）DFT模擬Li+ 在優(yōu)化的CT-rGO@LTO模型中進(jìn)行嵌鋰過(guò)程；（d）CT-rGO@LTO復(fù)合物EPR圖；（e）氧空位形成機(jī)理圖；（f）CT-rGO@LTO電極的倍率性能；（g）CT-rGO@LTO電極的循環(huán)性能。（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）
近日，中山大學(xué)童葉翔教授課題組與華南師范大學(xué)顧鳳龍教授課題組和澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授課題組合作，通過(guò)調(diào)控石墨烯對(duì)鈦酸鋰（LTO）不同的包覆效果，制備了具有不同氧空位含量和電場(chǎng)效應(yīng)的鈦酸鋰負(fù)極材料。研究者首先通過(guò)光電子能譜和拉曼測(cè)試揭示了復(fù)合材料中鈦酸鋰氧空位和石墨烯缺陷的形成機(jī)理: 由于復(fù)合材料CT-rGO@LTO中鈦酸鋰氧空位和石墨烯缺陷為同時(shí)產(chǎn)生，研究者推斷是因?yàn)殁佀徜囍械难踉雍褪┲械腃原子在長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)中相互結(jié)合，導(dǎo)致了鈦酸鋰和石墨烯中的部分原子缺失。而石墨烯與鈦酸鋰之間的接觸效果良好與否直接影響了C與O結(jié)合的概率，所以石墨烯對(duì)鈦酸鋰的封裝效果決定了復(fù)合材料中氧空位的含量和石墨烯缺陷程度。為了更加深入地揭示Li+ 在充放電過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為，研究者進(jìn)行了DFT模擬計(jì)算。發(fā)現(xiàn)Li+ 在含有缺陷的S摻雜石墨烯的鈦酸鋰復(fù)合樣品中中進(jìn)行充放電時(shí)，其Li+ 脫嵌的能壘只有5.66 eV，相對(duì)于在純LTO中的能壘值大大降低。對(duì)每個(gè)樣品的每種元素進(jìn)行電荷密度計(jì)算發(fā)現(xiàn)CT-rGO@LTO復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生了電荷再分布，這與各元素的XPS結(jié)合能偏移結(jié)果相互佐證，電荷再分布與氧空位一起在材料內(nèi)部創(chuàng)造了電場(chǎng)效應(yīng)，為電子和鋰離子的傳輸創(chuàng)造了內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)力，使得其電化學(xué)性得到大幅度改善。原位拉曼測(cè)試探究了石墨烯缺陷對(duì)LTO儲(chǔ)鋰的額外貢獻(xiàn)。在進(jìn)行充放電過(guò)程中D峰隨著電壓的變化而變化，說(shuō)明缺陷在Li+ 脫嵌時(shí)也在有規(guī)律的變化，且這種變化是可逆的，意味著石墨烯除了能夠提供良好的導(dǎo)電性外，其表面的缺陷對(duì)LTO材料有額外的儲(chǔ)鋰功能。rGO良好的封裝效果帶來(lái)了豐富的氧空位和強(qiáng)大的電場(chǎng)效應(yīng)，使得鋰離子和電子在鈦酸鋰材料各個(gè)方向都能被快速傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)移，當(dāng)CT-rGO@LTO電極分別用于鋰負(fù)極和匹配組裝全電池時(shí)，均表現(xiàn)出較高的比容量和優(yōu)異的倍率性能。另外，由于電極材料被封裝到三維石墨烯內(nèi)部，在循環(huán)過(guò)程中電極材料不易脫落，循環(huán)更加穩(wěn)定，在1 C和5 C下循環(huán)600和1500次容量保持率達(dá)到94.9%和87.1%。全電池的倍率性能與CT-rGO@LTO半電池測(cè)試時(shí)的倍率性基本能保持一致，在0.5 C下有139.4 mAh g-1，即便在10 C也還能保持109.7 mAh g-1，要優(yōu)于許多已報(bào)道的文獻(xiàn)。
這種可控的氧空位和電場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控策略也為設(shè)計(jì)和制備其它高性能電極材料提供了新思路。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/小虎）
