Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Viên vi cầu hình thái urchin rỗng tầng bậc Li4Ti5O12 với diện tích bề mặt riêng siêu cao cho pin lithium-ion tần suất cao
Nano Research - 2014
Tóm tắt
Diện tích bề mặt riêng lớn là yếu tố quan trọng để Li4Ti5O12 đạt được khả năng tốc độ tốt và độ bền chu kỳ, vì nó có thể tăng cường diện tích tiếp xúc giữa điện phân/điện cực và rút ngắn các đường vận chuyển cho electron và ion lithium. Trong nghiên cứu này, các viên vi cầu rỗng tầng bậc Li4Ti5O12 có hình dạng giống như urchin với diện tích bề mặt riêng cực cao trên 140 m2·g−1 và đường kính hơn 500 nm đã được tổng hợp thành công bằng cách kết hợp quy trình sol-gel đa năng và phản ứng thủy nhiệt, và thể hiện hiệu suất điện hóa tuyệt vời với khả năng cụ thể cao 120 mA·h·g−1 ở 20 C và độ bền chu kỳ dài < 2% suy giảm sau 100 chu kỳ. Phân tích phổ mất năng lượng electron (EELS) ngoài vị trí của các viên vi cầu Li4Ti5O12 ở các giai đoạn nạp-xả khác nhau chỉ ra rằng chỉ một phần của các ion Ti4+ được giảm xuống Ti3+ và có một sự biến đổi pha xảy ra mà tại đó pha spinel Li4Ti5O12 được chuyển đổi thành pha muối đá Li7Ti5O12. Ngay cả sau 100 chu kỳ, phản ứng oxy hóa-khử giữa Ti3+ và Ti4+ có thể được thực hiện hiệu quả hơn nhiều trên bề mặt của các phoi Li4Ti5O12 so với các hạt Li4Ti5O12 có sẵn trên thị trường. Tất cả các kết quả cho thấy rằng các viên vi cầu Li4Ti5O12 này có thể là vật liệu ánode hấp dẫn cho pin lithium-ion.
Từ khóa
#Li4Ti5O12 #diện tích bề mặt riêng lớn #hiệu suất điện hóa #pin lithium-ion #vi cầu rỗng tầng bậcTài liệu tham khảo
Singh, D. P.; Mulder, F. M.; Wagemaker, M. Templated spinel Li4Ti5O12 Li-ion battery electrodes combining high rates with high energy density. Electrochem. Commun. 2013, 35, 124–127.
Liu, G. Y.; Wang, H. Y.; Liu, G. Q.; Yang, Z. Z.; Jin, B.; Jiang, Q. C. Facile synthesis of nanocrystalline Li4Ti5O12 by microemulsion and its application as anode material for Li-ion batteries. J. Power Sources 2012, 220, 84–88.
Lee, B.; Yoon, J. R. Synthesis of high-performance Li4Ti5O12 and its application to the asymmetric hybrid capacitor. Electron. Mater. Lett. 2013, 9, 871–873.
Chiu, H. C.; Brodusch, N.; Gauvin, R.; Guerfi, A.; Zaghib, K.; Demopoulos, G. P. Aqueous synthesized nanostructured Li4Ti5O12 for high-performance lithium ion battery anodes. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A3041–A3047.
Zhu, G. N.; Du, Y. J.; Wang, Y. G.; Yu, A. S.; Xia, Y. Y. Electrochemical profile of lithium titanate/hard carbon composite as anode material for Li-ion batteries. J. Electroanal. Chem. 2013, 688, 86–92.
Liu, Z. M.; Zhang, N. Q.; Sun, K. N. A novel grain restraint strategy to synthesize highly crystallized Li4Ti5O12 (similar to 20 nm) for lithium ion batteries with superior high-rate performance. J. Mater. Chem. 2012, 22, 11688–11693.
Vujkovic, M.; Stojkovic, I.; Mitric, M.; Mentus, S.; Cvjeticanin, N. Hydrothermal synthesis of Li4Ti5O12/C nanostructured composites: Morphology and electrochemical performance. Mater. Res. Bull. 2013, 48, 218–223.
Zhang, B.; Yu, Y.; Liu, Y. S.; Huang, Z. D.; He, Y. B.; Kim, J. K. Percolation threshold of graphene nanosheets as conductive additives in Li4Ti5O12 anodes of Li-ion batteries. Nanoscale 2013, 5, 2100–2106.
Han, S. W.; Ryu, J. H.; Jeong. J.; Yoon, D. H. Solid-state synthesis of Li4Ti5O12 for high power lithium ion battery applications. J. Alloys Compd. 2013, 570, 144–149.
Lai, C.; Wu, Z. Z.; Zhu, Y. X.; Wu, Q. D.; Li, L. Wang, C. Ball-milling assisted solid-state reaction synthesis of mesoporous Li4Ti5O12 for lithium-ion batteries anode. J. Power Sources 2013, 226, 71–74.
Guo, X.; Xiang, H. F.; Zhou, T. P.; Li, W. H.; Wang, X. W.; Zhou, J. X.; Yu, Y. Solid-state synthesis and electrochemical performance of Li4Ti5O12/graphene composite for lithium-ion batteries. Electrochim. Acta 2013, 109, 33–38.
Han, S. W.; Shin, J. W.; Yoon, D. H. Synthesis of pure nano-sized Li4Ti5O12 powder via solid-state reaction using very fine grinding media. Ceram. Int. 2012, 38, 6963–6968.
Hao, Y. J.; Lai, Q. Y.; Xu, Z. H.; Liu, X. Q.; Ji, X. Y. Synthesis by TEA sol-gel method and electrochemical properties of Li4Ti5O12 anode material for lithium-ion battery. Solid State Ionics 2005, 176, 1201–1206.
Yan, G. F.; Fang, H. S.; Zhao, H. J.; Li, G. S.; Yang, Y.; Li, L. P. Ball milling-assisted sol-gel route to Li4Ti5O12 and its electrochemical properties. J. Alloys Compd. 2009, 470, 544–547.
Long, W. M.; Wang, X. Y.; Yang, S. Y.; Shu, H. B.; Wu, Q.; Bai, Y. S.; Bai, L. Electrochemical properties of Li4Ti5−2x NixMnxO12 compounds synthesized by sol-gel process. Mater. Chem. Phys. 2011, 131, 431–435.
Xiang, H. F.; Tian, B. B.; Lian, P. C.; Li, Z.; Wang, H. H. Sol-gel synthesis and electrochemical performance of Li4Ti5O12/graphene composite anode for lithium-ion batteries. J. Alloys Compd. 2011, 509, 7205–7209.
Fang, W.; Cheng, X. Q.; Zuo, P. J.; Ma, Y. L.; Liao, L. X.; Yin, G. P. Hydrothermal-assisted sol-gel synthesis of Li4Ti5O12/C nano-composite for high-energy lithium-ion batteries. Solid State Ionics 2013, 244, 52–56.
Xiao, L. L.; Chen, G.; Sun, J. X.; Chen, D. H.; Xu, H. M.; Zheng, Y. Facile synthesis of Li4Ti5O12 nanosheets stacked by ultrathin nanoflakes for high performance lithium ion batteries. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14618–14626.
Zhang, Z. W.; Cao, L. Y.; Huang, J. F.; Wang, D. Q.; Wu, J. P.; Cai, Y. J. Hydrothermal synthesis of Li4Ti5O12 microsphere with high capacity as anode material for lithium ion batteries. Ceram. Int. 2013, 39, 2695–2698.
Zhang, Z. W.; Cao, L. Y.; Huang, J. F.; Zhou, S.; Huang, Y. C.; Cai, Y. J. Hydrothermal synthesis of Zn-doped Li4Ti5O12 with improved high rate properties for lithium ion batteries. Ceram. Int. 2013, 39, 6139–6143.
Tang, Y. F.; Yang, L.; Fang, S. H.; Qiu, Z. Li4Ti5O12 hollow microspheres assembled by nanosheets as an anode material for high-rate lithium ion batteries. Electrochim. Acta 2009, 54, 6244–6249.
Liu, Y. L.; Zhou, S. S.; Han, H. B.; Li, H.; Nie, J.; Zhou, Z. B.; Chen L. Q.; Huang, X. J. Molten salt electrolyte based on alkali bis(fluorosulfonyl)imides for lithium batteries. Electrochim. Acta 2013, 105, 524–529.
Nithya, V. D.; Selvan, R. K.; Vediappan, K.; Sharmila, S.; Lee, C. W. Molten salt synthesis and characterization of Li4Ti5−x MnxO12 (x = 0.0, 0.05 and 0.1) as anodes for Li-ion batteries. Appl. Surf. Sci. 2012, 261, 515–519.
Sharmila, S.; Senthilkumar, B.; Nithya, V. D.; Vediappan, K.; Lee, C. W.; Selvan, R. K. Electrical and electrochemical properties of molten salt-synthesized Li4Ti5−x SnxO12 (x = 0.0, 0.05 and 0.1) as anodes for Li-ion batteries. J. Phys. Chem. Solids 2013, 74, 1515–1521.
Zhang, J. W.; Zhang, F. L.; Li, J. H.; Cai, W.; Zhang, J. W.; Yu, L. G.; Jin Z. S.; Zhang, Z. J. Preparation of Li4Ti5O12 by solution ion-exchange of sodium titanate nanotube and evaluation of electrochemical performance. J. Nanopart. Res. 2013, 15, 2005.
Kim, K. M.; Kang, K. Y. Kim S.; Lee, Y. G. Electrochemical properties of TiO2 nanotube-Li4Ti5O12 composite anodes for lithium-ion batteries. Curr. Appl. Phys. 2012, 12, 1199–1206.
Kim, J.; Cho, J. Spinel Li4Ti5O12 nanowires for high-rate Li-ion intercalation electrode. Electrochem. Solid-State Lett. 2007, 10, A81–A84.
Shen, L. F.; Uchaker, E.; Zhang, X. G.; Cao, G. Z. Hydrogenated Li4Ti5O12 nanowire arrays for high rate lithium ion batteries. Adv. Mater. 2012, 24, 6502–6506.
Chen, J. Z.; Yang, L.; Fang, S. H.; Tang, Y. F. Synthesis of sawtooth-like Li4Ti5O12 nanosheets as anode materials for Li-ion batteries. Electrochim. Acta 2010, 55, 6596–6600.
Li, N.; Zhou, G. M.; Li, F.; Wen, L.; Cheng, H. M. A self-standing and flexible electrode of Li4Ti5O12 nanosheets with a N-doped carbon coating for high rate lithium ion batteries. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5429–5435.
Sha, Y. J.; Zhao, B. T.; Ran, R.; Cai, R.; Shao, Z. P. Synthesis of well-crystallized Li4Ti5O12 nanoplates for lithium-ion batteries with outstanding rate capability and cycling stability. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 13233–13243.
Li, Y.; Pan, G. L.; Liu, J. W.; Gao, X. P. Preparation of Li4Ti5O12 nanorods as anode materials for lithium-ion batteries. J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A495–A499.
Wang, W.; Guo, Y. Y.; Liu, L. X.; Wang, S. X.; Yang, X. J.; Guo, H. Gold coating for a high performance Li4Ti5O12 nanorod aggregates anode in lithium-ion batteries. J. Power Sources 2014, 245, 624–629.
Shen, L. F.; Yuan, C. Z.; Luo, H. J.; Zhang, X. G.; Xu, K.; Xia, Y. Y. Facile synthesis of hierarchically porous Li4Ti5O12 microspheres for high rate lithium ion batteries. J. Mater. Chem. 2010, 20, 6998–7004.
Krajewski, M.; Michalska, M.; Hamankiewicz, B.; Ziolkowska, D.; Korona, K. P.; Jasinski, J. B.; Kaminska, M.; Lipinska, L.; Czerwinski, A. Li4Ti5O12 modified with Ag nanoparticles as an advanced anode material in lithium-ion batteries. J. Power Sources 2014, 245, 764–771.
Yin, Y. H.; Xu, J. J.; Cao, Z. X.; Yue H. Y.; Yang, S. T. Synthesis and electrochemical performance of Li4Ti5O12 hollow microspheres assembled by nanoparticles. Mater. Lett. 2013, 108, 21–24.
Liu, J.; Tang, K.; Song, K. P.; Aken, P. A. V.; Yu, Y.; Maier, J. Tiny Li4Ti5O12 nanoparticles embedded in carbon nanofibers as high-capacity and long-life anode materials for both Li-ion and Na-ion batteries. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 20813–20818.
Marinaro, M.; Nobili, F.; Tossici, R.; Marassi, R. Microwave-assisted synthesis of carbon (Super-P) supported copper nanoparticles as conductive agent for Li4Ti5O12 anodes for Lithium-ion batteries. Electrochim. Acta 2013, 89, 555–560.
Jung, H. G.; Myung, S. T.; Yoon, C. S.; Son, S. B.; Oh, K. H.; Amine, K.; Scrosati B.; Sun, Y. K. Microscale spherical carbon-coated Li4Ti5O12 as ultra high power anode material for lithium batteries. Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1345–1351.
Tang, Y. F.; Yang, L.; Qiu, Z. Huang, J. S. Preparation and electrochemical lithium storage of flower-like spinel Li4Ti5O12 consisting of nanosheets. Electrochem. Commun. 2008, 10, 1513–1516.
Yu, L.; Wu, H. B.; Lou, X. W. Mesoporous Li4Ti5O12 hollow spheres with enhanced lithium storage capability. Adv. Mater. 2013, 25, 2296–2300.
Liu, J.; Li, X. F.; Yang, J. L.; Geng, D. S.; Li, Y. L.; Wang, D. N.; Li, R. Y.; Sun, X. L.; Cai, M.; Verbrugge, M. W. Microwave-assisted hydrothermal synthesis of nanostructured spinel Li4Ti5O12 as anode materials for liuthium ion batteries. Electrochim. Acta 2012, 63, 100–104.
Liu, J. W.; Cheng, J.; Che, R. C.; Xu, J. J.; Liu, M. M.; Liu, Z. W. Synthesis and microwave absorption properties of yolk-shell microspheres with magnetic iron oxide cores and hierarchical copper silicate shells. ACS Appl. Mater. Inter. 2013, 5, 2503–2509.
Liu, J. W.; Che, R. C.; Chen, H. J.; Zhang, F.; Xia, F.; Wu, Q. S.; Wang, M. Microwave absorption enhancement of multifunctional composite microspheres with spinel Fe3O4 cores and anatase TiO2 shells. Small 2012, 8, 1214–1221.
Liu, J. W.; Cheng, J.; Che, R. C.; Xu, J. J.; Liu, M. M.; Liu, Z. W. Double-shelled yolk-shell microspheres with Fe3O4 cores and SnO2 double shells as high-performance microwave absorbers. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 489–495.
Choi, M.; Kim, C.; Jeon, S. Ok.; Yook, K. Soo.; Lee, J. Y.; Jang, J. Synthesis of titania embedded silica hollow nanospheres via sonicationmediated etching and re-deposition. Chem. Commun. 2011, 47, 7092–7094.
Li, J. R.; Tang, Z. L.; Zhang, Z. T. Controllable formation and electrochemical properties of one-dimensional nanostructured spinel Li4Ti5O12. Electrochem. Commun. 2005, 7, 894–899.
Lee, S. C.; Lee, S. M.; Lee, J. W.; Lee, J. B.; Lee, S. M.; Han, S. S.; Lee, H. C.; Kim, H. J. Spinel (LiTiO12)Ti4O5 nanotubed for energy storage materials. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 18420–18423.
Li, X.; Qu, M. Z.; Yu, Z. L. Preparation and electrochemical performance of Li4Ti5O12/graphitized carbon nanotubes composite. Solid State Ionics 2010, 181, 635–639.
Shen, L. F.; Zhang, X. G.; Uchaker, E.; Yuan, C. Z.; Cao, G. Z. Li4Ti5O12 nanoparticles embedded in a mesoporous carbon matrix as a superior anode material for high rate lithium ion batteries. Adv. Energy Mater. 2012, 2, 691–698.
Wang, W.; Tu, J. G.; Wang, S. B.; Hou, J. G.; Zhu, H. M.; Jiao, S. Q. Nanostructured Li4Ti5O12 synthesized in a reverse micelle: A bridge between pseudocapacitor and lithium ion battery. Electrochim. Acta 2012, 68, 254–259.
Jo, M. R.; Nam, K. M.; Lee, Y.; Song, K.; Park, J. T.; Kang, Y. M. Phosphidation of Li4Ti5O12 nanoparticles and their electrochemical and biocompatible superiority for lithium rechargeable batteries. Chem. Commun. 2011, 47, 11474–11476.
Wu, H. L.; Huang, Y. D.; Jia, D. Z.; Guo, Z. P.; Miao, M. Preparation and characterization of spinel Li4Ti5O12 nanoparticles anode materials for lithium ion battery. J. Nanopart. Res. 2012, 14, 713.