具有结构性缺陷的Li4Ti5O12-TiO2纳米片作为锂电池阳极的制备
随着各个行业对锂电池要求的提高，开发具有高性能的锂电池已成为新能源领域在实际应用中的关键。
本篇文章主要讲述了具有缺陷性的Li4Ti5O12-TiO2作为锂电池阳极的制备，该新型材料具有显著的循环速率和稳定性，在20℃和30℃的比容量分别达到170.3和168.2 mAhg-1。此外，在20℃下1000次循环后，依然能保持161.3mAhg-1的容量，并且容量保持率高达94.2％。氧空位和晶界的存在提高了Li4Ti5O12-TiO2复合材料的速率性能和导电性。同时，由于复合材料中存在丰富的界面，诱发了假电容效应，提高了比容和速率能力。
最近，在固态化学领域中，结构缺陷方面的研究非常活跃。例如，氧空位能够提高电极材料的电子传导性，通过在N2气氛下FeOOH的热分解制备了缺氧的α-Fe2O3纳米棒，与在空气中制备的原始α-Fe2O3纳米棒相比，电化学性能明显增强。
LTO-AT-RT复合材料的合成
常规的合成法：将20mM钛酸四丁酯加入40mL无水乙醇中搅拌30分钟。同时，在搅拌过程中将16.8mM LiOH·H2O加入40mL超纯水中，使其完全溶解。Li / Ti的摩尔比为4.2:5。然后，剧烈搅拌下，将氢氧化锂溶液滴加到钛酸四丁酯溶液中。将混合溶液强烈搅拌2小时使组分均匀。随后，将溶液转移到100mL的高压釜中，然后密封并在180℃下加热24小时。将沉淀物离心并用超纯水和乙醇充分洗涤，在60℃真空干燥12小时。将所得产物在空气中在600℃下煅烧6小时以提高结晶度。
LTO-AT-RT复合材料的表征
用水热法合成并煅烧的新型LTO-TiO2复合物（表示为LTO-RT-AT），通过改变前体溶液中Li / Ti的摩尔比来制备纯LTO和LTO-金红石TiO2复合物（表示为LTO-RT），下图为纯LTO，LTO-RT和LTO-RT-AT前体的X射线衍射（XRD）图谱。如图1所示。
很明显，图1a前体的所有特征衍射峰与正交（Li1.81H0.19）-Ti2O5·2H2O（JCPDS No.47-0123）的衍射峰一致。图1b显示了在600℃下在空气中煅烧6小时后的三个样品的XRD图，产物的相组合显示出对Li/Ti摩尔比的强烈依赖性,比例为4.5:5。在最终产品中得到纯LTO，产物的所有衍射峰均对应于（111），（311），（400），（331），（333），（440），（531），（533）， （622）和（444）平面的结晶尖晶石LTO（JCPDS No.49-0207）。当Li / Ti摩尔比降低到4.2:5（LTO-RT-AT），在25.26°和27.39°处出现了两个弱峰。图1C，可以被断定为锐钛矿TiO2的典型峰和金红石二氧化钛。当比例进一步降至4：5（LTO-RT）时，锐钛矿TiO2的峰值完全消失，金红石TiO2的峰值进一步增加，表明获得了包含LTO和金红石TiO2的双相复合材料。在Scherrer方程的基础上，纯LTO，LTO-RT和LTO-RT-AT的平均晶粒尺寸分别被评估为32.6、31.1和26.5nm。这表明LTO-RT-AT具有最小的粒度。
从上图我们可以发现LTO-AT-400在25.3°处呈现出几乎纯的LTO相，从X射线光电子能谱（XPS）分析中获得关于纯LTO，LTO-RT和LTO-RT-AT的结构和氧化态的附加信息。
图2a显示了纯LTO的Ti2p的高分辨率XPS光谱。在464.05和458.23eV的两个峰对应于特征的Ti的2p1/2和Ti的2p3/2的Ti峰。此外，463.30eV的微小峰值可归因于Ti3+。注意，几乎所有的峰面积分配给Ti4+，只有一个小的峰面积属于Ti3+，含量为3.02％。与纯LTO相比，LTO-RT的Ti2p峰和LTO-RT-AT（图2c）显示出轻微的转移以降低结合能，并且Ti3+的含量对于LTO-RT增加至6.31％，对于LTO-RT-AT而言为4.15％。这些差异可能归因于LTO-TiO2复合材料中的氧空位增加，而不是纯LTO中的氧空位。
为了进一步验证上述说明，三个样品的光谱也显示在图1中。 O1s峰可以通过以529.5 （OI），531.8（OII）和533.1 eV（OIII）为中心的三个结合能量曲线拟合，对应于完全氧化的环境中的氧离子，氧气中的氧离子缺氧区，OH相关物质或H2O表面松散结合的氧。对应于氧空位的相对量的峰面积（OII / OI + OII）的比例从纯LTO的26.83％增加到LTO-RT的27.81％和LTO-RT-AT的61％，O1光谱的结果与Ti2p光谱的分析具有很好的一致性。
LTO-RT-AT的高可逆能力、显着的循环速率能力和稳定性主要是由于氧空位和晶界等的结构空缺而引起的。一方面，氧空位有利于改善电极的导电性（增加的载流子密度），有利于电荷载体的输送。另一方面，丰富的晶界不仅为锂离子传输提供了更多的渠道，增强了锂的插入/提取动力学，而且产生了明显的假电容效应，显着提高了比容量和速率能力。因此，LTO-RT-AT的独特结构被认为是关键点。