可定製化的超快鋰離電器件的實現：高導電性的鈦酸鹽納米管凝膠的設計

近年來，攜帶型、微型化的電子設備正在受到越來越多的消費者的青睞。諸如輕薄，可彎曲的技術特點儼然已是電子設備為滿足消費者需求的必經之路。為此，以鋰離子電池為代表的能源供給設備也亟需材料革新，從而實現電子設備的整體進步與發展。然而，現行的電池材料難以實現超快充放電和超長循環壽命，也不能勝任噴塗，印刷等可自定義的電池集成方式。

尖晶石鈦酸鋰（LTO）是一種較為理想的鋰離子電池負極材料。快速的鋰離子嵌入機製為實現超快充放電提供理論可能；較高的嵌鋰電位（1.55V）和較低的嵌鋰形變（0.2%）能夠保障電池的整體安全性和穩定性。然而，現行的對尖晶石鈦酸鋰的改善手段大多基於高溫固態反應（ >500°）來實現納米結構調控，導電劑包覆或摻雜等，這就不可避免地導致了納米結構的團聚和不均勻的尺寸分布。所以，目前的固態高溫反應難以得到溶液或凝膠等液態電極材料，制約了其在可自定製化的電池的設計和集成。

鑒於這些尖晶石鈦酸鹽材料的這個難題，南洋理工大學陳曉東課題組在超長二氧化鈦納米線的基礎上，成功研製出高導電性的鈦酸鋰納米凝膠。通過對具有3D網狀結構的二氧化鈦納米管進行離子置換處理，可得到具有3D網狀形貌的鈦酸鋰前驅體。這種鈦酸鋰膠體再進一步與分散性能良好的石墨烯膠體複合，即可得到高導電性的鈦酸鹽納米管凝膠。由於超長納米線之間的物理纏繞，這種凝膠可以調控其粘度，可適用於噴塗，印刷，蓋印，模印等多種多樣的溶液電極加工方式。通過調節粘度和劑量，這種高導電性的納米管凝膠不僅可以應用於軟包電池和紐扣電池，也同樣可以作為微型化電池的電極原料。

在電化學性能方面，這種凝膠也有諸多優點。1）還原石墨烯組成的導電網路可以極大促進凝膠的電子導電率。2）優質的超長納米線能夠提供較短的鋰離子擴散距離和較高的擴散速率。3）互相連接的孔狀結構可以提供活性材料與電解液更多的接觸面積，從而提高電池的整體導電率。不同電池樣品的電化學測試結果也佐證了這種納米管凝膠作為電池材料的優勢。在以90C的速率充放電循環1000次之後，以這種鈦酸鹽納米管凝膠為工作電極的紐扣電池仍能保持124毫安時每克的容量密度，展現了難能可貴的超快充放電能力和超長循環能力。在以這種鈦酸鹽納米管凝膠為負極的全電池測試中，90C的超快充放電條件，125毫安時每克的容量密度再次證明了這種凝膠的實際應用能力。以這種凝膠材料做成的軟包全電池也給出了10C時89毫安時每克的容量；當這種材料用於微型鋰電池，也顯示了其超快充放電的特性，可以應用於微型電子器件的集成與組裝。

這項研究成果發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201505161）上。

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