Cu / li4ti5o12 pastoliai kaip pranašesni anodai ličio jonų akumuliatoriams | NPP Azijos medžiagos

Cu / li4ti5o12 pastoliai kaip pranašesni anodai ličio jonų akumuliatoriams | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Nanodalelės

Anotacija

Nanostruktūruotos aktyviosios medžiagos, pasižyminčios ir didelėmis, ir didelėmis savybėmis, sulaukė nemažo dėmesio, tačiau jos tebėra didelis iššūkis, kurį reikia įgyvendinti. Čia pateikiame naują nurodymą, kaip gaminti dvigubai nuolatinius Cu / Li 4 Ti 5 O 12 pastolius, kuriuos sudaro Li 4 Ti 5 O 12 nanodalelės (LTO NP) su labai veikiamais (111) briaunomis ir nanoporinėmis Cu pastolėmis, kurios įgalina tuo pačiu metu aukštą - talpa ir greita ličio saugykla. Tai strategija „vienas akmuo, du paukščiai“. Išbandžius kaip ličio jonų akumuliatorių LIB anodą, Cu / LTO parodė puikų našumą, pvz., Eksploatavimo laikas ilgesnis nei 2000 ciklų ir ypač greitas įkrovimo laikas (<45 s). Pažymėtina, kad ypač aukšta talpa, šiek tiek didesnė už teorinę, taip pat buvo pastebėta Cu / LTO esant mažam srovės tankiui. Tankio funkcinės teorijos skaičiavimai ir išsamūs apibūdinimai parodė, kad labai eksponuoti (111) briaunos briaunose yra jo unikalaus saugojimo mechanizmo (8a + 16c) priežastis, kuri skiriasi nuo perėjimo tarp 8a ir 16c tūrio LTO.

Įvadas

Gerai žinoma, kad įkraunamos baterijos paprastai kaupia žymiai daugiau energijos nei kondensatoriai, tačiau jos sunaudoja mažiau energijos. 1, 2, 3 Siekiant pagerinti jonų ir elektronų pernešimo kinetiką akumuliatoriuose, buvo naudojama daugybė metodų, tokių kaip laidus sluoksnio padengimas, elektrodo medžiagos sintezė nanoskalėje ir jonų dopingas. 4, 5, 6 Visai neseniai buvo sukurtas dar vienas lengvas ir efektyvus metodas, turintis dvimatės srovės kolektoriaus / aktyviosios medžiagos hibridinius elektrodus, turinčius aukštą elektronų ir jonų laidumą ( 7, 8, 9) . Be to, buvo pasiūlyti NiOOH / nikelio sudėtiniai pastolių katodai 7 ir Au – Ge elektrodai. 8 Kartu su nanotechnologijų ir mokslo plėtra nanostruktūrizuotų elektrodų medžiagos su veikiamomis labai reaktyviosiomis kristalų plokštumomis (1a pav.) Dabar gali parodyti daug žadančias savybes, įskaitant geresnes elektrochemines charakteristikas. 10, 11, 12, 13 Geras pavyzdys yra Co 3 O 4 nanokristalų (111) aspektas; 10 vaizdas yra (111) aspektas, pageidautinas LIB, ir rodo didesnę talpą nei (001) plokštuma. Kitas pavyzdys yra Li 4 Ti 5 O 12 plėvelės su (111) plokštumomis, kurios pasižymėjo geresnėmis jonų pernešimo savybėmis ir tokiu būdu geresnėmis Li kaupimosi savybėmis nei mėginiai su kitomis paveiktomis plokštumomis. 13 Vis dėlto išlieka didelis iššūkis tuo pačiu metu gauti nanostruktūrizuotas veikliąsias medžiagas, turinčias labai veikiamas plokštumas ir efektyvius jonų bei elektronų kelius.

Image

Dviejų tradiciškai naudojamų metodų ir naujos Cu / LTO pastolių strategijos palyginimas: a ) Įprasto paviršiaus aktyviųjų medžiagų metodo, skirto gauti nanomedžiagas su labai veikiamomis plokštumomis, iliustracija. b ) Paprastai naudojamo elektrodo, sudaryto iš LTO dalelių, elektrolito ir srovės rinktuvo, schema. Įkrovimo / iškrovimo proceso metu šio elektrodo struktūroje yra keturios pirminės varžos: (1) jonų pernešimas elektrolite; (2) jonų pernešimas elektrode; (3) elektrocheminės reakcijos elektrode; ir (4) elektronų laidumas elektrode ir srovės kolektoriuje. c ) schematiškai parodyta nauja strategija „vienas akmuo, du paukščiai“, gaminanti dvisluoksnį Cu / LTO elektrodą, naudojant trimatį nanoporų Cu pastolių šablono kelią, kai LTO NP gali būti kapsuliuoti Cu nanoporose.

Visas dydis

Šiame pranešime pateiktas naujas būdas gaminti dvigubą ištisinį Cu / Li 4 Ti 5 O 12 pastolių elektrodą, kurį sudaro LTO NP su labai dideliais eksponatais (111) briaunomis ir nanoporūs Cu pastoliai, kad būtų padidintas elektronų ir jonų pernešimas ir taip įgalinta didelė talpa. didelės spartos ličio saugykla. LTO šiame tyrime pasirinktas dėl aukštos Li įterpimo įtampos ( apytiksliai 1, 5 V palyginti su Li + / Li) ir įtempimo be nulio įtempimo ypatybės, tačiau dėl mažo elektrinio laidumo (~ 10 –13 S cm –1 ) ir ličio difuzijos koeficiento (~ 10 –13 cm 2 s – 1 ) trukdo ypač greitam ličio saugojimui. 4, 14, 15, kaip parodyta 1a paveiksle, įprastoje LTO elektrodų architektūroje įkrovimo – iškrovimo proceso metu yra keturi pagrindiniai pasipriešinimai: (1) Li + pernešimas elektrolite; (2) Li + perkėlimas iš elektrolito į LTO elektrodą; (3) Li + difuzija elektrode; ir (4) elektrono laidumas elektrode ir srovės kolektoriuje. Į superkondensatorių panašių greičio charakteristikų realizavimui čia naudojamas kaip šablonas, naudojant nanoporinius Cu pastolius (NPCu), o LTO NP įterpiami į NPCu nanoporus, kaip parodyta 1c paveiksle. Tai strategija „vienas akmuo, du paukščiai“. Viena vertus, NPCu suteikia didesnį elektros laidumą nei įprastas srovės kolektorius ir elektrodo struktūra. Kita vertus, įmanoma gauti LTO NP, kurių aktyviosios plokštumos yra labai veikiamos, o tai gali užtikrinti aukštą ličio jonų laidumą unikalioje Cu / LTO architektūroje. Šis rezultatas iš dalies gali būti priskirtas dėl griežto erdvės ribojimo efekto nanodalelėse esančiose NPCu porose ir didelėje išlenktų paviršių, esančių NPCu vidaus nanoporose, daliai (1c paveikslas).

medžiagos ir metodai

Nanoporinių Cu / LTO pastolių sintezė

Pirmame etape buvo paruošti nanoporinių Cu pastolių šablonai (NPCu). Atliekant tipinius eksperimentus, Cu 50 Al 50 lydinio luitai, gauti naudojant elektronų pluošto lydymosi metodą, buvo padengti plonu Cu sluoksniu, kad būtų išvengta šablono griūties, ir po to selektyviai išgraviruoti (Al) vandeniniame NaOH tirpale, kol nepastebėta vandenilio burbuliukų. Paruoštos NPCu putos buvo supilamos į 2, 8 ml tirpalo, kuriame yra 5 mM TiCl 4 ir 21 mg LiOH · H20 . Po laikymo sausoje ir uždaroje aplinkoje maždaug 1–5 h, pagamintas produktas tris kartus plaunamas etanoliu ir vandeniu, 6 valandas džiovinamas 100 ° C temperatūroje ir galiausiai 1, 5 valandos deginamas 600 ° C temperatūroje mišriose dujose (5% v / v H2, Ar).

Charakteristika

Galutinių produktų morfologijai stebėti buvo naudojami JEOL 3000F ir 2100F mikroskopai, o nuskaitymo elektroninės mikroskopijos vaizdams gauti buvo naudojamas Hitachi S4800 elektroninis mikroskopas, veikiantis 15 kV įtampoje. Rentgeno spinduliuotės difrakcijos modeliams registruoti buvo naudojamas „Philips X Pert PRO MPD“ rentgeno spindulių difraktometras, veikiantis 35 kV ir 45 mA esant Cu Ka spinduliavimui. XPS matavimai buvo atlikti naudojant ESCALab220i-XL spektrometrą, naudojant dviejų anodų Al Ka ​​(1486, 6 eV) rentgeno šaltinį, kuriame visi spektrai buvo kalibruoti prie C 1 -s smailės surišimo energijos esant 284, 6 eV.

Elektrocheminis bandymas

Mėginių elektrocheminėms savybėms nustatyti buvo naudojamas „Hokudo Denko“ įkrovimo / iškrovimo instrumentas. Elektrolitas buvo 1 M LiClO4 etilo karbonate (EC) ir dietilo karbonate (DEC; EC: DEC = 1: 1 t / t). Ląstelės buvo surinktos į pirštinių dėžutę, užpildytą grynomis argono dujomis. Galvanostatiniai iškrovos / krūvio matavimai buvo atlikti esant 2, 5 V – 1 V potencialų diapazonui, palyginti su Li + / Li. Čia buvo apskaičiuotas specifinis Cu / LTO pajėgumas, remiantis LTO svoriu.

Tankio funkcinės teorijos skaičiavimai

Visos žemės būsenos energijos buvo apskaičiuotos naudojant apibendrintą gradiento apytikslę tankio funkcijos teoriją, įgyvendintą Vienos ab initio modeliavimo pakete (VASP).

Rezultatai ir DISKUSIJA

Cu / LTO pastolių apibūdinimas

Image

Image

Papildomame paveiksle S1 parodytas Cu / LTO elektrodo gamybos procesas. Čia naudojami du etapai: selektyvusis Al graviravimo iš Cu – Al lydinio būdas gauti NPCu atramas ir LTO NP kapsuliavimas į NPCu. Cu / LTO (papildomas S2 paveikslas) rentgeno spinduliuotės difrakcijos modeliai yra gerai indeksuojami kaip špinelis Li 4 Ti 5 O 12 (JCPDS kortelė Nr. 49–0207, erdvės grupė Fdm (227)) kartu su kubiniu Cu (JCPDS: 00004 -0836, kosminė grupė Fmm). Be to, galutiniame produkte galima rasti nedidelę rutilo TiO 2 priemaišų (JCPDS kortelė Nr. 21–1276, pažymėta mėlynu apskritimu, papildomas S2 paveikslas). Iš 2a paveikslų ir papildomo S3 paveikslo galima pastebėti, kad NPCu putos turi dvipusę struktūrą, sudarytą iš nanoporų, kurių porų dydis yra ~ 50–100 nm. Kitas puikus NPCu bruožas yra ypač aukštas jo elektrinis laidumas kambario temperatūroje. Įdėtas scheminis NPCu paveikslas 2 paveiksle aiškiai parodo jo dvipusį poringumą.

Image

Cu / LTO pastolių anodo struktūrinė analizė: ( a, b ) pagamintų bikontiniuotų trijų matmenų varinių pastolių šablono elektroninio mikroskopijos ir perdavimo elektroninės mikroskopijos (TEM) vaizdų skenavimas po apdorojimo daugiasluoksniu būdu. Įrašas rodo scheminį Cu pastolių gabalo vaizdavimą. ( c, d ) Mažo ir didelio padidinimo Cu / LTO mėginio TEM vaizdai. Pradėtas Cu / LTO schematinis brėžinys.

Visas dydis

Po augimo in situ ir atkaitinimo, LTO NP yra gerai įterpti į tarpusavyje suskaidytus labai porėtus metalinius pastolius, todėl susidaro dvisieniai Cu / LTO elektrodai (2d paveikslas). Taigi elektronų ir jonų pernešimo į aktyviąją medžiagą (LTO) ir elektrolitą ilgis teoriškai gali būti trumpinamas vienu metu, todėl gaunamas didelis galios tankis, o veikliosios medžiagos (LTO NP) gali būti gerai užpildytos šiais trimačiais nanoporiniais pastoliais, palyginti. su tradiciniais 2D Cu folijos šablonais, todėl gaunamas didelis energijos tankis. 7, 8, 9 Gautų LTO NP svyruoja nuo 30 iki 90 nm, priklausomai nuo NPCu porų skersmens. 2d paveiksle parodytas vieno LTO NP, esančio Cu / LTO, HRTEM vaizdas. Stebimasis 0, 47 nm tarpus tarpas gerai atitinka spinelio Li 4 Ti 5 O 12 {111} briaunas. Be to, Cu / LTO sistemose, remiantis tankio funkcinės teorijos skaičiavimais, gali būti epitaksinis augimas (papildomas paveikslas S4), kai Cu (111) paviršiaus energija yra mažiausia. Šis augimas yra panašus į epitaksinį LTO plėvelių augimo sintezę, naudojant tokią pat orientaciją ant SrTiO 3 substratų, įskaitant LTO (111) ant SrTiO 3 (111) ir LTO (110) ant SrTiO 3 (110). 13

Aukštos kokybės ir didelė Cu / LTO pastolių talpa ličio saugojimui

Cu / LTO buvo pagamintas į monetų elementus, siekiant ištirti jo galimą panaudojimą Li jonų baterijose. 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, kaip parodyta 3a paveiksle, pagamintas Cu / LTO ne tik gali užtikrinti aukštą, beveik teorinę vertę, bet ir pasižymėti ypač cikliška talpa. išlaikymas. Pavyzdžiui, po 1200 įkrovimo / iškrovimo ciklų Cu / LTO gali pateikti labai aukštą grįžtamąją galią - 172 mAh g −1, kuri yra panaši į teorinę vertę (175 mAh g −1 ). 3b paveiksle parodyti 1-ojo, 50-ojo, 100-ojo, 600-ojo ir 1200-ojo ciklų išleidimo ir įkrovimo įtampos profiliai, skirti Cu / LTO, esant srovės tankiui 0, 5 C. Kreivės būdingos LTO elektrocheminiam keliui. Nedideli kreivės formos pokyčiai rodo, kad dabartinės trimatės nanoporinės struktūros iš tiesų yra naudingos tobulinant LTO anodines medžiagas. Nors Cu / LTO yra nedidelis rutilo TiO 2 kiekis, tipinių TiO 2 plokščiapusiškumų nepastebėta. 23 Šis rezultatas rodo, kad visos priemaišos elektrodų elektrocheminės savybės yra nereikšmingos. Atkreipkite dėmesį, kad esant mažam srovės tankiui (pavyzdžiui, 0, 1 C), Cu / LTO talpa viršys teorinę 175 mAh g- 1 vertę ir pasižymės labai dideliu cikliškumo stabilumu (papildomas paveikslas S5). Paprastai šį reiškinį galima pastebėti 10–30 nm dydžio LTO dalelėse. 24

Image

Cu / LTO pastolių elektrocheminis apibūdinimas: ( a ) Cu / LTO hibridų veikimas dviračiu ir atitinkamas efektyvumas esant 0, 5 C greičiui. B ) Cu / LTO galvanostatinės iškrovos ir ( arba ) įkrovos įtampos profiliai, esant 0, 5 ° C, 1–50., 100-asis, 600-asis ir 1200-asis ciklai. c ) Cu / LTO ir LTO NP normų galimybių palyginimas. d ) Dviračių ciklo charakteristikos ir atitinkamas Cu / LTO kulinarinis efektyvumas esant 1 ° C. e ) Cu / LTO pastolių greičio palyginimas su kitais neseniai praneštais didelio greičio elektrodais, kurių pagrindą sudaro LTO. Talpos buvo įvertintos remiantis jų bendra elektrodo medžiagų mase.

Visas dydis

Dar svarbiau, kad Cu / LTO elektrodas pasižymi ypač greito ličio kaupimo savybėmis, kaip parodyta 3c paveiksle. Pavyzdžiui, Cu / LTO elektrodas gali išlaikyti didelę talpą, kai srovės tankis padidinamas iki 5 C arba 20 C. Visų pirma, esant labai aukštam srovės greičiui 80 C, atitinkančiam ~ 45 s įkrovimo laiką, grįžtamasis Cu / LTO talpa vis dar gali siekti 127 mAh g −1 . Šie rezultatai yra žymiai pranašesni už kitų anodinių medžiagų ( 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) rezultatus, kurie aiškiai parodo, kad Cu / LTO yra perspektyvi LIBs energijos ir didelio galingumo elektrodų medžiaga. . Be to, Cu / LTO pasižymi dideliu greičiu važiuodamas dviračiu, išlaikydamas ultravioletinę galią esant 1 C daugiau kaip 2000 ciklų (3d paveikslas). Greitas Cu / LTO Li + pernešimas toliau stebimas atsižvelgiant į nedidelę Cu / LTO poliarizaciją (skirtumai tarp įkrovos plokščių ir išplatėjimo plokščių potencialo). 5

Literatūroje yra nedaug pranešimų apie tokius gerus rezultatus. Pagaminto Cu / LTO našumas esant tokiems dideliems greičiams yra žymiai geresnis nei kitų Li 4 Ti 5 O 12 pagrindu sukurtų didelės spartos elektrodų, apie kuriuos pranešta neseniai. 5, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 Kaip parodyta palygintuose rezultatuose, pateiktuose 3e paveiksle, šie pranešti elektrodai apima rutilo TiO2 dengtą LTO, 5 nanokristalinį LTO, 14 Zr-leidintą LTO., 15 anglimi dengtų LTO, 16 Cr-disped LTO, 17 LTO nanovielių matricų, 18 mezoporinių Li 4 Ti 5 O 12 / C, 19 LTO nanovamzdelių matricų, 20 nanostruktūrizuotų LTO, išaugintų ant rGO 21, ir įvairių paslėptų LTO struktūrų. 22

Itin greitas, į superkondensatorius panašus „Cu / LTO“ našumas daugiausia galėtų būti siejamas su jų trimatėmis dvibalsėmis architektūromis. Šis struktūrinis unikalumas gali sudaryti sąlygas tuo pačiu metu sumažinti pagrindinio pirminio pasipriešinimo dalis, aptinkamas įkrovimo / iškrovimo procesuose (parodyta 1 paveiksle), tokiu būdu palengvinant Li + perkėlimą elektrolito ir elektrodo sąsajoje ir skatinant Li + difuziją. elektrodas, taip pat elektronų pernešimas. Todėl labai greita ličio saugykla Cu / LTO gali būti puikiai įgyvendinta. Be to, hidrinimas (pirmtakų apdorojimas Ar / H 2 atkaitinimo metu) gali sukelti Ti 3+ vietas Cu / LTO, kad būtų dar labiau padidintas jo elektroninis laidumas ir tokiu būdu jo greičio charakteristikos. 18 Kaip patvirtinta rentgeno fotoelektronine spektroskopija (XPS; papildomas paveikslas S6), dvi teigiamas smailės, nukreiptos į 463, 3 ir 457, 6 eV, turėtų būti priskirtos Ti 3+ Ti2p 1/2 ir Ti2p 3/2 smailėms, atimant normalizuotą. Ti / p Cu / LTO su LTO NP spektrai (papildomas S6b paveikslas). 18

Dar svarbiau yra tai, kad manoma, jog puikios didelės talpos Cu / LTO savybės tiek esant aukštam, tiek mažam tarifui atsiranda dėl jų unikalių konstrukcinių savybių. Tarp jų svarbų vaidmenį vaidina krištolo plokštumos efektas. 12 Cu / LTO NP branduolių krašte yra daug atvirų didelės energijos {111} aspektų, atsirandančių dėl nanosizuotų porų erdvę ribojančio poveikio. Kaip parodyta 4a paveiksle, kartu su FFT modeliu (įterptuoju pavidalu), LTO paviršiai yra baigti dideliu atominių žingsnių ir suspaudimų tankiu kartu su daugeliu zig-zag sąsajų. Pavyzdžiui, tik mažą paviršiaus gabalėlį (4b paveikslas) sudaro aštuonios terasos, atskirtos atominėmis pakopomis. Juose rasti defektai gali atitikti didelę laisvosios paviršiaus energijos (LTO) (111) energiją, palyginti su (110) plokštuma (γ (110) <γ (111)). Paprastai manoma, kad didelis atominių pakopų tankis yra mažų nanomedžiagų didelio katalizinio ar elektrocheminio aktyvumo priežastis. 10, 11, 12, 13 Panašiai ši Cu / LTO savybė gali palengvinti LTO elektrocheminių savybių pagerėjimą.

Image

Išsami Cu / LTO krašto morfologija: a ) HRTEM vaizdas padarytas iš Cu / LTO krašto krašto. b ) eksponuoto LTO (111) plokštumos gabalo, vaizduojančio pakopinį paviršių, HRTEM vaizdas. Žalias apskritimas žymi paviršiaus defektą. c ) Padidėjęs (FFT atvirkštinis) LTO NP vaizdas, paimtas iš Cu / LTO, kur juodosios skylės žymi 16c (laisvos vietos) vietas, o Li2 reiškia Li 1/3 Ti 5/3 . d ) Atitinkama scheminė LTO grotelė. Mastelio juosta: 1 nm.

Visas dydis

Atsižvelgiant į labai atvirus didelės energijos (111) aspektus ir didelį atominių žingsnių tankį, esantį Cu / LTO paviršiuje, manoma, kad jo Li + saugojimo mechanizmas skiriasi nuo didžiojo tūrio LTO. Čia tiksliai apibrėžta Cu / LTO struktūra vizualizuojama tiesiogiai, naudojant aukšto kampo žiedinius tamsaus lauko detektorius nuskaitymo perdavimo elektronų mikroskopijoje (STEM-HAADF). 26 Kaip parodyta padidintame (FFT atvirkštiniame) vaizde (4c paveikslas), juodosios skylės žymi laisvas 16c vietas, o Li1 žymi 8a vietas. 4d paveiksle pavaizduota atitinkama [−211] LTO struktūros projekcija, kurioje Li, O ir [Li 1/3 Ti 5/3 ] atomai / plokštės yra tiesiogiai stebimi, nes atskiri šių atomų stulpeliai yra išlyginti šia kryptimi. Skirtingiems atomams ar plokštėms apibūdinti naudojami skirtingų spalvų rutuliai.

Image

Remiantis tankio funkcinės teorijos skaičiavimais, parodytais 5 paveiksle, paveiktas paviršius smarkiai paveiks LTO talpą. Pirmiausia mes ištyrėme tikslų birių LTO saugojimo mechanizmą, kurį galima tiksliai pavaizduoti kaip [Li] 8a [] 16c [Ti] 16d [Li 1/3 Ti 2/3 ] 16d [O 4 ] 32e (kur tuščias skliaustas žymi laisva vieta, 1 lygtis). Ličio jonai ims migruoti iš tetraaedrinės 8a į aštuonkampės 16c vietas, o 8a ištuštins, kad gautų galutinę Li 7 Ti 5 O 12 kompoziciją, kurios teorinė talpa yra 175 mAh g −1 (5 paveikslas). Prognozuojama, kad panašus į Li 4+ x Ti 5 O 12 spinelio dydžio 25, papildomas Li užims 8a vietas LTO (111), nes galutinėje Li 7 Ti 5 O 12 kompozicijoje 16 c vietos yra beveik visiškai užimtos. . Tiesą sakant, pridedant Li prie laisvų 8a vietų (111) plokštelėse (kad visos 16c vietos būtų užimtos), stechiometrinis ličio kiekis gali būti viršytas iki Li 8.5 Ti 5 O 12 sudėties, kol pasiekiama neigiama įtampa. 25 (papildomas S6 paveikslas), žymiai didesnė už teorinę 175 mAh g – 1 vertę (Li 7 Ti 5 O 12 ); net prieš artėjant prie 1 V, galutinė kompozicija bus Li 7, 75 Ti 5 O 12 (papildomas S7 paveikslas), kuri yra šiek tiek pagerinta, palyginti su Li 7 Ti 5 O 12 . Šis rezultatas atitinka didesnę talpą elektrochemiškai įkrautose epitaksijoje išaugintose plėvelėse. 13 Pažymima, kad tai skiriasi nuo birių LTO atvejų, tačiau panaši į nanosizuotą; didesnę grįžtamąją talpą (Li 8, 5 Ti 5 O 12 ) galima pasiekti tik tada, kai tūrinis špinelis Li 4+ x Ti 5 O 12 išsikrauna iki 0, 01 V, o galutinė Li 7, 84 Ti 5 O 12 sudėtis gali būti realizuota, kai 12 nm Li 4+ x Ti 5 O 12 išmeta iki 0, 9 V. 25 Šis rezultatas rodo, kad padidinus (111) plokštumų kiekį LTO paviršiuje, galima žymiai padidinti talpą. Be to, nustatyta, kad apskaičiuota vidutinė LTO (111) (į Li 7 Ti 5 O 12 ) įterpimo įtampa yra 1, 77 V, didesnė nei 1, 57 V tūrinio LTO (eksperimentinė vertė ~ 1, 55 V). Šis rezultatas sutinka su pastebėjimu, kad Cu / LTO įterpimo įtampa yra šiek tiek didesnė nei LTO NP. Turėtume atkreipti dėmesį, kad Cu / LTO pasiekiama tik ~ 175 mAh g −1 arba šiek tiek padidinta talpa. Todėl, kaip pavaizduota 5 paveiksle, tuo pačiu metu naudojamas 8a ir 16c (8a + 16c) užimtumo mechanizmas gali būti taikomas labai paveiktiems (111) paviršiaus elementams, tuo tarpu po paviršiumi Cu / LTO laikysis didmeninės atsargų laikymo taisyklės. dėl 16c vietų užėmimo Li jonų ir 8a vietų ištuštinimo. Šis rezultatas dar rodo, kad padidinus (111) aspektų dalį padidės LTO saugojimo talpa.

Image

Unikalus Cu / LTO saugojimo mechanizmas: schematiškai parodytas galimas Cu / LTO saugojimo mechanizmas su labai atvirais (111) aspektais, pagrįstas DFT skaičiavimais. Ant paviršiaus litacijos proceso metu migruoja dviejų tipų Li jonai; xa žymi papildomus Li jonus, užimančius laisvas 8a vietas, o x 0 žymi Li jonus, gabenamus iš 8a į 16c vietas. Nefasuotai arba po paviršiumi tik Li jonai iš 8a vietų (x 0 ) gali įterpti / deinsertuoti į / iš 16c vietų. Taigi teorinė talpa yra 175 mAh g −1 .

Visas dydis

Sauga yra gyvybiškai svarbi naudojant elektrodus LIB. Elektrodo išleidimas dujomis įkrovimo / iškrovimo proceso metu paprastai sukelia saugos problemų. Ankstesnis tyrimas 26 parodė, kad, manoma, kad dideliame LTO dviejų fazių egzistavimas yra atsakingas už dujų išsiskyrimą (pakuotės paburkimą), kai LTO naudojamas kaip anodas pilnose baterijose. Tačiau minėtas reiškinys nepastebėtas Cu / LTO (papildomas paveikslas S8), kuris leidžia manyti, kad tai gali būti saugus anodas. Tai gali būti susiję su nanoporinių Cu pastolių apsauginiu vaidmeniu, analogišku kailis.

Apibendrinant, mes parodėme naują strategiją „vienas akmuo, du paukščiai“, kurdami du kartus besitęsiančius Cu / LTO, sudarytus iš nanoporinių Cu pastolių ir kapsuliuotų LTO NP su labai veikiamomis (111) plokštumomis. Šios unikalios savybės ne tik suteikia efektyvius ir greitus jonų ir elektronų pernešimo kelius, bet ir sukuria papildomas ličio įterpimo vietas į LTO paviršių, taip realizuodamos didelės spartos ir didelės talpos ličio saugyklas. Išbandytas kaip anodas LIB, Cu / LTO parodė puikų našumą, įskaitant puikų nei 2000 ciklų eksploatavimo laiką ir ypač greitą įkrovimo laiką. Pabrėžtina, kad ypač aukštas talpa, šiek tiek didesnė nei teorinė, Cu / LTO buvo stebimas esant mažam srovės tankiui, o tankio funkcijų teorijos skaičiavimai ir išsamūs apibūdinimai atskleidė jo unikalų kaupimo mechanizmą (8a + 16c), kuris skiriasi nuo perėjimo tarp 8a. ir 16c tūrio LTO. Mūsų išvados rodo, kad aukštos energijos plokštumos koncentracijos elektrodų paviršiuje padidinimas yra dar vienas perspektyvus būdas gaminti pažangiausius elektrodus ličio saugojimui.

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)