ACS Nano:武汉理工大学构建具有互致稳定效应的亚10nm尺度的TiO2/SiOx 双连续杂化体用于锂离子存储


发布时间:

2023-12-14

TiO2具有良好的机械稳定性、离子传导特性和循环性能,是一种有很好应用前景的锂离子电池负极材料,但是它的理论容量很低,这也是一直以来阻碍TiO2商业化应用的重要原因。

TiO2具有良好的机械稳定性、离子传导特性和循环性能,是一种有很好应用前景的锂离子电池负极材料,但是它的理论容量很低,这也是一直以来阻碍TiO2商业化应用的重要原因。针对这个问题,武汉理工大学研究人员利用MAX Ti3SiC2陶瓷材料中Ti,Si的原子级分散的特性,将其球磨之后进行煅烧,用这种简单的、低成本的、可规模化生产的方法制备了一种双连续结构的TiO2/SiOx混合材料,并用于锂离子电池的负极材料。

在这种双连续结构的纳米尺度混合材料中,桥连的TiO2纳米颗粒密集地排列在蠕虫状SiOx网络结构中,形成双连续的“互穿”结构,研究人员利用透射电镜三维重构技术对这种材料的双连续结构进行了确认。随后,他们利用先进的原位透射电子显微镜表征技术,揭示了TiO2/SiOx双连续复合物的“互致稳定(Mutual- stabilizing effect)”效应,发现两种相互插连(互穿)的TiO2和SiOx活性组分通过其丰富的接触界面,抑制了彼此的体积膨胀,从而减少了应力。

这种“互致稳定”效应定义为:其中一相体积膨胀产生的作用力与另一相膨胀产生的作用力方向相反,从而互相抵消。这种特性补偿了整个材料的体积膨胀,加强了材料在循环过程的结构完整性。除此之外,他们还对这种材料的电化学性能进行了测试,发现这种材料即便含有82wt%的TiO2组分,却具有高容量,长寿命(∼671mAh/g after 580 cycles at 0.1 A/g),和低体积膨胀(~14%)的增益效果。

相关研究成果以“Constructing Sub 10 nm Scale Interfused TiO2/SiOx Bicontinuous Hybrid with Mutual-Stabilizing Effect for Lithium Storage”为题发表在《ACS Nano》上。武汉理工大学余若瀚为论文的第一作者,周亮教授、吴劲松教授、麦立强教授为论文的共同通讯作者。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10381?fig=tgr1&ref=pdf  

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Figure 1 TiO2/SiOx杂化体的结构设计和电子显微学表征  

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Figure 2 亚10nm 双连续结构的三维重构解析

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Figure 3 TiO2/SiOx杂化体负极材料的电化学特性  

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Figure 4 TiO2/SiOx杂化体材料锂化过程的原位STEM/EELS表征

在这项工作中,研究人员通过MAX Ti3SiC2陶瓷的简单氧化过程,利用其天然的Ti/Si原子分散性,合成了一种具有双连续结构的亚10 nm TiO2/SiOx杂化物,其中桥接的异构TiO2纳米互穿于蠕虫状SiOx网络中。当TiO2/SiOx作为锂离子电池负极材料时,其表现出“互致稳定”的行为,两个紧密堆积的组分在空间上限制并缓冲彼此的体积效应,在锂化过程中通过丰富的界面来缓解应力。TiO2/SiOx复合材料表现出良好的体积膨胀效应和坚固的结构完整性。本工作表明合理的结构设计,可以为下一代高容量、长寿命锂离子电池负极材料的开发提供了思路。

泽攸科技(ZEPTOOLS)的PicoFemto®系列原位TEM-STM样品杆在该工作中为研究人员利用原位STEM观察反应过程中负极材料的体积膨胀率和结构完整特性,为“互致稳定”的行为提供直接证据,同时利用原位EELS观察Li分布和Ti的锂化前后价态变化提供了有力支撑。  

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图 实验方法

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供卓越的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在类的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在高端精密仪器领域的诸多空白。