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北京化學防御研究所 Gaoping Cao課題組--納米Li4Ti5O12顆粒原位沉積在致密多孔石墨烯骨架上并作為鋰離子電池負極實現高體積功率容量

尖晶石Li₄Ti₅O₁₂在保持優異的功率性能的同時，獲得高的振實密度仍然是一個相當大的挑戰。本文利用毛細管收縮效應合成了致密的介孔取向多孔石墨烯骨架（HGF）納米Li₄Ti₅O₁₂粒子（Li₄Ti₅O₁₂/HGF）。在毛細管干燥過程中，納米Li₄Ti₅O₁₂粒子阻止了石墨烯片的絕對聚集，保留了介孔取向的孔隙率，有利于Li⁺的快速擴散。通過對多孔結構的精確調整，Li₄Ti₅O₁₂/HGF復合材料成功地實現了振實密度與孔隙率的平衡。此外，多孔石墨烯片的面內納米孔為Li⁺擴散提供了通道，明顯削弱了復合材料的Li⁺擴散阻力。合成的Li₄Ti₅O₁₂/HGF復合材料具有1.1 g cm^-3的高振實密度和152 m² g^-1的中等介孔孔隙率，在0.035、1.75、7和14 A g^-1下的體積比容量分別為161、142、120、103 mAh cm^-3。當電流密度達到17.5 A g^-1時，制備的Li₄Ti₅O₁₂/HGF復合材料仍具有98 mAh cm^-3的容量，表現出優異的超高倍率性能。在7 A g^-1下循環1000次后，致密的Li₄Ti₅O₁₂/HGF復合材料的容量保持在84%，具有很高的循環穩定性。

Figure 1. 致密物料毛細管蒸發干燥過程示意圖。

Figure 2. （a）HGO的TEM圖像。（b）HGF的TEM圖像。（c）空白LTO和LTO/HGF-1的XRD圖譜。（d）空白LTO和LTO/HGF-1的拉曼光譜結果。

Figure 3. （a–f）空白LTO和LTO/HGF系列復合材料的SEM圖像。

Figure 4. （a）空白LTO、LTO/GF和LTO/HGF-1的CV結果。（b）空白LTO、Li₄Ti₅O₁₂/HGF系列復合材料和LTO/GF的比容量。（c）空白LTO、典型Li₄Ti₅O₁₂/HGF復合材料和LTO/GF的倍率性能。（d）LTO/HGF-1、LTO/GF和空白LTO的比容量變化趨勢。（e）LTO/HGF-1的長循環性能。（f）本文工作與近期相關文獻的比較

Figure 5. 空白LTO（a）、LTO/HGF-1（b）和LTO/GF（c）在不同掃描速率下的CV。（d）三個樣品的陽極峰iν^-1/2到ν^1/2的直線圖。（e）LTO/HGF-1的贗電容貢獻。（f）LTO/HGF-1和LTO/GF在不同掃描速率下的贗電容和擴散容量的比值。

相關研究成果于2020年由北京化學防御研究所 Gaoping Cao課題組，發表在Journal of Power Sources（2020, 447, 227372）上。原文：Nano-Li₄Ti₅O₁₂ particles in-situ deposited on compact holey-graphene framework for high volumetric power capability of lithium ion battery anode。

轉自《石墨烯雜志》公眾號



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