中國粉體網訊 合理設計納米結構的電極材料對于發展高性能鋰離子電池至關重要。由于氧空位和電場效應能夠促進鋰離子擴散和電子傳輸，最近在儲能領域受到了廣泛的關注。同時，還原氧化石墨烯（rGO）作為一種具有吸引力的二維碳材料，由于其優異的導電性，在儲能領域展現出很高的應用前景，然而現在已報道的大多數方法只能將電極材料簡單地分散到石墨烯片上，并不能起到良好的封裝效果。因此，想要優化電極材料的電化學反應動力，可通過將電極材料定向地封裝到三維石墨烯里，實現在原子級別調控材料的物理性質，使得不同相的界面之間產生相互作用 (例如氧空位和電場), 進而在電化學應用方面能夠獲得優異的性能。
圖1. （a）CT-rGO@LTO復合材料SEM圖；（b）CT-rGO@LTO復合材料的高分辨TEM圖；（c）DFT模擬Li+ 在優化的CT-rGO@LTO模型中進行嵌鋰過程；（d）CT-rGO@LTO復合物EPR圖；（e）氧空位形成機理圖；（f）CT-rGO@LTO電極的倍率性能；（g）CT-rGO@LTO電極的循環性能。（來源網絡）
近日，中山大學童葉翔教授課題組與華南師范大學顧鳳龍教授課題組和澳大利亞格里菲斯大學張山青教授課題組合作，通過調控石墨烯對鈦酸鋰（LTO）不同的包覆效果，制備了具有不同氧空位含量和電場效應的鈦酸鋰負極材料。研究者首先通過光電子能譜和拉曼測試揭示了復合材料中鈦酸鋰氧空位和石墨烯缺陷的形成機理: 由于復合材料CT-rGO@LTO中鈦酸鋰氧空位和石墨烯缺陷為同時產生，研究者推斷是因為鈦酸鋰中的氧原子和石墨烯中的C原子在長時間的高溫燒結中相互結合，導致了鈦酸鋰和石墨烯中的部分原子缺失。而石墨烯與鈦酸鋰之間的接觸效果良好與否直接影響了C與O結合的概率，所以石墨烯對鈦酸鋰的封裝效果決定了復合材料中氧空位的含量和石墨烯缺陷程度。為了更加深入地揭示Li+ 在充放電過程中的動力學行為，研究者進行了DFT模擬計算。發現Li+ 在含有缺陷的S摻雜石墨烯的鈦酸鋰復合樣品中中進行充放電時，其Li+ 脫嵌的能壘只有5.66 eV，相對于在純LTO中的能壘值大大降低。對每個樣品的每種元素進行電荷密度計算發現CT-rGO@LTO復合材料內部發生了電荷再分布，這與各元素的XPS結合能偏移結果相互佐證，電荷再分布與氧空位一起在材料內部創造了電場效應，為電子和鋰離子的傳輸創造了內置的驅動力，使得其電化學性得到大幅度改善。原位拉曼測試探究了石墨烯缺陷對LTO儲鋰的額外貢獻。在進行充放電過程中D峰隨著電壓的變化而變化，說明缺陷在Li+ 脫嵌時也在有規律的變化，且這種變化是可逆的，意味著石墨烯除了能夠提供良好的導電性外，其表面的缺陷對LTO材料有額外的儲鋰功能。rGO良好的封裝效果帶來了豐富的氧空位和強大的電場效應，使得鋰離子和電子在鈦酸鋰材料各個方向都能被快速傳導和轉移，當CT-rGO@LTO電極分別用于鋰負極和匹配組裝全電池時，均表現出較高的比容量和優異的倍率性能。另外，由于電極材料被封裝到三維石墨烯內部，在循環過程中電極材料不易脫落，循環更加穩定，在1 C和5 C下循環600和1500次容量保持率達到94.9%和87.1%。全電池的倍率性能與CT-rGO@LTO半電池測試時的倍率性基本能保持一致，在0.5 C下有139.4 mAh g-1，即便在10 C也還能保持109.7 mAh g-1，要優于許多已報道的文獻。
這種可控的氧空位和電場效應調控策略也為設計和制備其它高性能電極材料提供了新思路。
（中國粉體網編輯整理/小虎）
