DOI:10.1016/j.materresbull.2020.111145
硅酸钛锂(Li2TiSiO5)作为锂离子电池负极材料,由于其在0.28V(相对于Li+/Li)下的低工作电位和高理论容量(308 mA h g-1)而引起了人们的广泛关注。然而,Li2TiSiO5的本征电子电导率低,锂离子转移动力学缓慢,阻碍了其实际应用。本文系统研究了铌(Nb)掺杂对由静电纺丝制备的Li2TiSiO5纤维的影响。研究发现,最佳的5.0%Nb掺杂Li2TiSiO5具有优异的电化学性能,在电流密度为5000 mA g-1时具有125.6 mA h g-1的高容量和良好的长期循环性能,在2000 mA g-1的电流密度下进行500次循环后仍具有129 mA h g-1的稳定容量。Li2TiSiO5中Nb的引入提高了本征电子电导率,改善了锂离子转移动力学,从而实现了超高倍率性能。这项工作为Nb掺杂Li2TiSiO5提供了新的见解,有望用于高功率锂离子电池。
图1.(a),(b)Li2TiNbO5前体纤维,(c),(d)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5前体纤维,(e),(f)Li2TiNbO5纤维和(g),(h)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5纤维的高倍和低倍放大SEM图像。
图2.(a)Li2-Ti1-xNbxSiO5(x=0.0%,2.5%,5.0%,7.5%和10.0%)的X射线衍射图和(b)放大(200)峰。(c)Li2Ti1-xNbxSiO5(x=0.0%,2.5%,5.0%,7.5%和10.0%)的拉曼光谱。
图3.(a),(b)Li2TiSiO5(插图显示相应的FFT)和(c),(d)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5纤维(插图显示相应的SAED)的TEM,HR-TEM图像。(e)单根Li2Ti0.95Nb0.05SiO5纤维的HAADF-STEM图像和(f)元素映射图像:钛(Ti),铌(Nb),硅(Si)和氧(O)。
图4.掺杂量为(a)2.5%,(b)5.0%,(c)7.5%和(d)10.0%的Li2Ti1-xNbxSiO5样品的Nb 3d高分辨率XPS曲线。
图5.(a)具有不同掺杂量的Li2Ti1-xNbxSiO5的倍率性能和(b)循环性能。(c)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5在电流密度为50至5000 mA g-1时的充放电曲线。(d)在0.1-3.0V下,当扫描速率为0.2 mV s-1时Li2Ti0.95Nb0.05SiO5的CV曲线。(e)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5在电流密度为2000 mA g-1时的循环性能。
图6.(a)Li2TiSiO5和(b)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5在0.1至1.0 mV s-1的不同扫描速率下的CV曲线,通过峰值电流与扫描速率之间的对数关系确定(c)Li2TiSiO5和(d)Li2Ti0.95Nb0.05SiO5的相应b值。
图7.(a)Li2Ti1-xNbxSiO5/Li(x=0.0%,2.5%,5.0%,7.5%和10.0%)半电池的奈奎斯特图(插图是高频区域和等效电路图)及其(b)阻抗实部与低频之间的关系。
图8.(a)Li2Ti1-xNbxSiO5(x=0.0%,2.5%,5.0%,7.5%和10.0%)的紫外可见漫反射光谱,(b)相应的Kubelka-Munk变换反射光谱以及(c)计算的带隙。