Surface-controlled sodium-ion storage mechanism of Li4Ti5O12 anode

阳极 材料科学 离子 机制(生物学) 化学工程 无机化学 电极 化学 物理化学 冶金 认识论 工程类 哲学 有机化学
作者
Junbin Li,Xiaoqing Chang,Tingyi Huang,Binhao Wang,Hongfei Zheng,Qing Luo,Dong‐Liang Peng,Qiulong Wei
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:54: 724-731 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.11.017
摘要

Sodium-ion batteries (SIBs) are the promising candidate in grid systems owing to the wide distribution and abundance of sodium resources. However, the charge storage mechanism and size-effect of the active materials for SIBs remain largely unexplored. Herein, we synchronously investigate the electrochemical properties and structural evolutions of Li4Ti5O12 (LTO) anode for Li+ and Na+ storage, along with the nano-size effect on their charge storage behaviors. Through detailed kinetic analysis, it is found the Li+ storage in LTO is diffusion-controlled in bulk and shows increased surface-controlled contributions when the size is reduced to 18 nm. In comparison, for the Na+ storage, the domination step is surface-controlled in all the sizes of LTO from 260 to 18 nm, with over 55% contribution even at the low sweep rate of 0.1 mV s−1. The limited near-surface reaction region and low diffusion kinetics determine the surface-controlled Na+ storage behaviors and the specific capacities. The suitable size of LTO-18 nm anode displays a high capacity of ∼140 mAh g−1 (at 0.05 A g−1, ∼0.29C), high-rate capability (42 mAh g−1 at ∼57C), and long-term cycling stability (over 1200 cycles). Our finding provides insights into a precise design of nanomaterials for high-power sodium-ion storage devices.
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