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Oxygen vacancy-modulated zeolitic Li4Ti5O12 microsphere anode for superior lithium-ion battery

阳极 材料科学 锂(药物) 微球 离子 化学工程 电池(电) 无机化学 电化学 氧气 析氧 空位缺陷 锂离子电池 电极 化学 物理化学 有机化学 功率(物理) 内分泌学 工程类 物理 医学 量子力学 结晶学
作者
Seohyeon Yeo,Michael Ruby Raj,Gibaek Lee
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:441: 141809-141809 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2022.141809
摘要

Spinel Li4Ti5O12 (LTO) is a promising anode material for state-of-the-art high-power lithium-ion batteries (LIBs) owing to its “zero strain” characteristics during fast charging/discharging, long cycle life, and high rate capability. However, the poor ionic/electronic conductivity and sluggish ionic diffusion coefficient of LTO restrict its practical utility. Porous zeolitic LTO (Z-LTO) microspheres were synthesized herein as anode materials for LIBs using TiO2 and LiOH∙H2O via a hydrothermal method combined with Ar/H2 thermal treatment. The increased concentration of Ti3+ self-doping-derived oxygen vacancies in as-synthesized Z-LTO and porous microspherical Z-LTO aggregates greatly improved the electronic conductivity and structural stability. These features contributed to achieving much higher discharge capacities of ∼210 and ∼180 mAh g−1 at 0.5 C and 1 C rates, respectively, as well as excellent ultra-high rate capability of 45 mAh g–1 at 50 C rate, while still maintaining the outstanding long-life cyclic stability (∼181 mAh g−1 at 5 C rate after 2000 cycles), with 90% capacity retention, compared to commercial LTO (C-LTO). Charge contribution kinetics analysis indicated that the lithium storage mechanisms in Z-LTO, particularly at a high rate, were dominantly diffusion-controlled due to the larger ion-diffusion ability (DLi ≈ 4.18 × 10−8 cm2 s−1). This finding confirms that the generation of surface defects by creating Ti3+/Ti4+ pairs and oxygen vacancy engineering in LTO is an effective approach for enhancing the ion/electron mobility, which can be extended to boost the battery performance of other materials with low ionic conductivities for advanced energy storage systems.
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