黑色TiO2-x@SnO2-x纳米管用于锂离子电池负极

随着电动汽车的普及，人们迫切需要开发出具有高能量密度、高倍率性能和长循环寿命的锂离子电池（LIBs）。二氧化锡（SnO₂）的理论比容量约为790 mA•h•g^-1，是商业石墨负极的两倍，且生产成本低，与电解液反应程度较低，具有较高的安全性，是LIBs负极的理想候选者之一。然而，SnO₂在与Li⁺嵌入与脱嵌的反应中存在较大的体积变化，难以形成稳定的固态电解质膜（SEI），加之本身的电导率不佳，难以直接作为电池负极材料使用。

清华大学化工系的谢续明教授（点击查看介绍）课题组长期从事多组分纳米材料调控与自组装的研究，并将其应用于超级电容器和锂离子电池，取得了一系列的重要成果（J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 7070; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9141; Nano Energy, 2016, 30, 347; Nano Research, 2016, 9, 2057; Nat. Commun., 2015, 6, 10310; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 3341）。在此基础上，最近，他们与北京化工大学的刘一涛副教授合作，通过结构设计和组装极大改善了SnO₂负极材料的循环和倍率性能。如图1所示，针对SnO₂体积膨胀的问题，作者首先通过牺牲模板法制备了TiO₂@SnO₂纳米管，SnO₂中空的纳米管结构为体积膨胀预留了空间，并作为主要活性材料提供了容量；其次，利用TiO₂结构的稳定性和高度的电化学反应可逆性，他们将TiO₂包覆于SnO₂表面，壳层TiO₂限制了SnO₂的向外膨胀，有利于稳定SEI膜的形成。针对SnO₂和TiO₂导电率不佳的问题，作者采用NaBH₄共还原的方法，夺取了SnO₂和TiO₂中的部分氧，制造了更多的氧空位，还原后导电率得到上千倍的提升（图2），有利于Li⁺的快速传输。

图1. TiO_2-x@SnO_2-x纳米管的制备

图2. TiO₂@SnO₂纳米管还原前后导电率的对比

基于上述设计，核层的SnO_2-x与壳层的TiO_2-x发挥了协同作用，SnO_2-x@TiO_2-x纳米管取得了比SnO₂@TiO₂纳米管更为优异的电化学性能（图3）。在1000 mA•g^-1的电流密度下循环1000次的比容量为701 mA•h•g^-1，比SnO₂@TiO₂纳米管的416 mA•h•g^-1提高了近68.5%。当电流密度增大到3000 mA•g^-1，其比容量仍保持在587 mA•h•g^-1，有望成为下一代具有长循环寿命和快充性能的电池负极材料。

图3. TiO_2-x@SnO_2-x纳米管半电池的性能

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是清华大学的博士研究生周正伟和潘龙。

该论文作者为：Zheng-Wei Zhou, Long Pan, Yi-Tao Liu, Xiao-Dong Zhu, Xu-Ming Xie

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Elaborate synthesis of black tin oxide–black titanium oxide core–shell nanotubes for ultrastable and fast lithium storage

Chem. Commun., 2018, 54, 4790, DOI: 10.1039/C8CC02040J

导师介绍

谢续明，清华大学化工系高分子所教授，博士生导师；1981年由国家公派去日本留学，1985年3月毕业于日本信州大学，1987和1990年3月先后在东京工业大学获硕士和博士学位；1990年4月起在日本昭和电工公司任研究员，1992年回国工作，1999年在清华大学化工系晋升为教授；1999、2001和2005年分别在日本东京工业大学、美国明尼苏达大学、日本中央大学从事访问教授研究；现任中国复合材料学会理事、纳米复合材料分会委员，中国机械工程学会材料分会副理事长、高分子材料专业委员会主任，中国化学会高分子学科委员会委员，中国材料研究学会高分子材料科学与工程分会常务委员以及《机械工程材料》杂志编委会副主任，Chinese Chemical Letters、Chinese Journal of Polymer Science、《功能高分子学报》、《高分子材料科学与工程》和《中国塑料》杂志编委；曾任《高分子学报》、Ineternational Journal of Polymer Science 等编委，国家自然科学基金委员会第十四届专家评审组专家。谢续明近来主要的研究领域是聚合物凝胶及可穿戴柔性器件、聚合物纳米结构和材料及其在储能领域的应用、聚合物多组分体系和反应共混以及聚合物表界面；在国内外期刊上发表论文220多篇，其中SCI收录的约200篇；获日本学术振兴会（JSPS）访问学者基金、美国明尼苏达大学化工与材料系杰出访问教授以及ELSEVIER出版机构颁发的“Polymer”杂志第一届“Feng Xingde Polymer Prize”等。

谢续明

http://www.x-mol.com/university/faculty/21063

课题组链接

http://xiegroup.cn/index.html