中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池以其高能量、高功率密度等特點，在小型移動電子設備上得到了廣泛應用，目前正致力于開發(fā)電動汽車以及智能電網(wǎng)用長壽命鋰離子儲能電池。尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12作為一種新的負極材料，正逐漸成為研究熱點。Li4Ti5O12其電位平臺在1.54V，高的電位平臺避免了鋰枝晶的形成，從而提高了電池的安全性能；同時在鋰離子嵌入/脫出過程中的體積“零應變”，具有潛在的循環(huán)性好的優(yōu)勢。純Li4Ti5O12為寬帶隙材料，具有低的電子電導率，無法在大電流密度下進行充放電；而且以Li4Ti5O12為負極的鋰離子電池在使用和貯存過程中由于表面催化反應，有持續(xù)脹氣問題，帶來一定安全隱患和降低循環(huán)壽命。對其進行表面包覆是解決其問題的有效途徑之一，但如何得到均勻的包覆層以及實現(xiàn)在較低溫度下得到高電導率的包覆層一直是一個重要的技術(shù)難題。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的清潔能源實驗室E01組博士生趙亮與胡勇勝研究員等提出了一種利用含氮元素離子液體實現(xiàn)均勻薄層(1-2nm)含氮元素摻雜碳包覆Li4Ti5O12負極材料的技術(shù)，包覆改性后的材料顯示了突出的循環(huán)性(半電池循環(huán)2000次容量保持率83%)與倍率特性（在10C（6分鐘充放電）倍率下容量保持率80%，容量為129 mAh/g）。這種方法的優(yōu)點在于：離子液體具有較低的蒸汽壓，在熱處理過程中不會有溶劑揮發(fā)的問題，所以易于形成均勻的包覆層；離子液體有種類豐富的陰、陽離子可以選擇，便于調(diào)節(jié)其中氮的構(gòu)型和含量。此外，該低溫包碳方法還可以推廣到對其它電極材料的包覆。以上工作發(fā)表在Adv. Mater. , 23, 1385-1388, 2011上。
為了進一步研究氮元素摻雜包碳的機理，與SF5組的博士生丁子敬和孟勝研究員合作，構(gòu)建了graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面結(jié)構(gòu)模型，獲得了界面電荷轉(zhuǎn)移的圖像，間接說明通過氮摻雜可以提高表面電導；通過包覆，可以消除Li4Ti5O12表面的不飽和懸鍵，有利于提高其循環(huán)穩(wěn)定性，也可能有利于解決Li4Ti5O12基鋰離子電池的脹氣問題。以上工作發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 15127-15133, 2011上，并申請了相關(guān)發(fā)明專利。
上述工作得到了科技部儲能材料研究創(chuàng)新團隊、科學院知識創(chuàng)新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委能源項目群重點項目、廣東省科技廳的支持。
圖1：氮元素摻雜碳包覆的Li4Ti5O12的表征結(jié)果：(A)為透射電鏡圖片，可以看出顆粒表面形成了均勻的無定型包覆層；(B)為包覆前后樣品的XPS，包覆后出現(xiàn)了氮元素的峰。
圖2：氮元素摻雜碳包覆的Li4Ti5O12的倍率性能(A)和半電池的循環(huán)性能(B)，(B)圖插圖是原始樣品的循環(huán)性能。
圖3：(A) CVD方法制備的碳包覆Li4Ti5O12樣品，可以看出表面有1-2層的graphene包覆層；(B) graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面模型的側(cè)視圖，Li4Ti5O12界面為Ti原子終止層。
文章鏈接：
1.“Porous Li4Ti5O12 Coated with N-Doped Carbon from Ionic Liquids for Li-Ion Batteries”
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201003294/abstract
2.“Towards understanding the effects of carbon and nitrogen-doped carbon coating on the electrochemical performance of Li4Ti5O12 in lithium ion batteries: a combined experimental and theoretical study”
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2011/CP/c1cp21513b
