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Creating Submicron-Sized Titanium Niobium Oxides with Rich Oxygen Vacancies by an Oxygen Filtering Effect of a Precoated Carbon Layer for High-Rate Lithium-Ion Electrodes

材料科学 烧结 锂(药物) 阳极 化学工程 碳纤维 氧化物 微观结构 氧化铌 电化学 氧气 氧化钛 析氧 锂离子电池 纳米颗粒 纳米技术 电极 电池(电) 冶金 复合材料 化学 量子力学 医学 物理 有机化学 功率(物理) 物理化学 复合数 内分泌学 工程类
作者
Mingxi Wang,Qincheng Yang,Jingyue Xu,Yu Xiang,Huimin Zhang,Jun Ma,Gaoping Cao,Jingyi Qiu,Wenfeng Zhang,Zheng‐Hong Huang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c15081
摘要

Titanium niobium oxide (TNO) has emerged as a promising high-safety anode material for next-generation, high-rate lithium-ion batteries. However, its practical application faces significant challenges due to inherent limitations in electronic conductivity and substantial ion migration resistance, primarily caused by particle overgrowth during conventional solid-phase sintering processes. To address these issues, we developed an innovative two-step sintering strategy to synthesize submicron-sized carbon-coated Ti2Nb10O29–x with abundant oxygen vacancies (Ov-TNO@C). This approach features a unique carbon precoating process at 400 °C followed by controlled co-sintering with TiO2, achieving three critical modifications: 1) carbon layer-mediated particle size control during sintering, 2) oxygen filtration during atomic interdiffusion between nano-TiO2 and micron-sized Nb2O5, and 3) in situ generation of oxygen vacancies through Ti4+ → Ti3+ reduction. The optimized Ov-TNO@C demonstrates remarkable improvements in both electronic (1.6 × 10–5 S cm–1) and ionic conductivity, delivering exceptional electrochemical performance: high specific capacity (306 mAh g–1 at 0.1 C), outstanding rate capability (181 mAh g–1 at 10 C and 71.4 mAh g–1 at ultrahigh 100 C), and superior cyclability (92.5% capacity retention after 2000 cycles at 10 C). This work establishes a universal strategy for engineering high-performance metal oxide electrodes through synergistic microstructure control and defect engineering, paving the way for the development of next-generation fast-charging battery systems.
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