贵州大学《Langmuir》：热解碳涂层和碳纳米管协同表面改性的杨梅状TiO2作为锂离子电池的阳极

二氧化钛（TiO2）作为锂离子电池（LIB）的负极材料，具有体积膨胀小、工作电压高、安全性能优异等优点。然而，由于TiO2的导电率较低，且锂离子（Li）的扩散速度较慢，因此其在锂离子电池中的应用受到了限制。因此， 本文，贵州大学Jing Zhu、Jingbo Chen等研究人员在《Langmuir》期刊 发表名为“ Waxberry-like TiO 2 with Synergistic Surface Modification of Pyrolytic Carbon Coating and Carbon Nanotubes as an Anode for Li-Ion Battery ”的论文， 研究 制备了热解碳涂层和碳纳米管复合的 杨梅状T TiO+2。表面具有纳米棒的蜡梅状 TiO2 缩短了锂的扩散距离。

碳纳米管和 杨梅状T TiO+2 通过静电组装紧密结合，形成交联导电网络，提供更多的电子传输路径。一层薄薄的热解碳包裹着碳纳米管和杨梅状TiO2，从而增强了复合材料的导电性，并确保了材料在整个循环过程中的结构完整性。实验数据显示，TiO2@CNT@C在5Ag-1的大电流密度下循环3000次后，放电比容量为 170.5mAh g-1，在10Ag-1的超高倍率下，放电比容量仍为 143mAh g-1，具有优异的倍率性能和循环稳定性。这种高效的双碳改性策略有可能推广到其他材料上。

方案1. (a) 杨梅状TiO2和 (b) TiO2@CNT@C 的合成过程

图1. (a, b) TiO2 前驱体、(c, d) 杨梅状 TiO2、(e, f) TiO2@CNT@C 的扫描电镜图像。(g) 氮吸附-解吸等温线，(h) 孔径分布曲线，以及 (i) XRD 图。

图2. (a, b) TiO2 前体、(d, e) 杨梅状 TiO2 和 (g, h) TiO2@CNT@C 的 TEM 图像。(c) TiO2前驱体、(f) 杨梅状 TiO2 和 (i) TiO2@CNT@C 的 HRTEM 图像。

图3：(a) TG 曲线，(b) 拉曼光谱，(c) XPS 全光谱，(d) N 1s、(e) C 1s、(f) O 1s 和 (g) Ti 2p 的 XPS 精光谱。

图4. (a) 杨梅状TiO2 和 (b) TiO2@CNT@C 的充放电曲线。扫描速率为 0.1 mV s-1 时 (c) 杨梅状TiO2 和 (d) TiO2@CNT@C 的 CV 曲线。

图5：（a）速率性能曲线；（b）1 A g-1 时的循环性能曲线；（c）5 A g-1 时的循环性能曲线；（d）奈奎斯特图；（e）低频区 Z′和 ω-1/2 之间的关系。

图6：（a，d）不同扫描速率下的 CV 曲线；（b，e）氧化还原峰处 log(v) 与 log(i) 的对应图；（c，f）蜡浆状 TiO2 和 TiO2@CNT@C 的电容贡献率与扩散贡献率之比。

图7. 循环前（a）和循环后（b）TiO2@CNT@C 电极表面的扫描电镜图像，以及循环前（c）和循环后（d）TiO2@CNT@C 电极横截面的扫描电镜图像。

本文通过静电组装设计了一种穿透性二氧化钛复合材料（TiO2@CNT）。杨梅状的TiO2纳米球与碳纳米管交联，通过正负电荷的静电吸引形成网络结构。然后在TiO2@CNT表面涂覆盐酸多巴胺，使其表面形成均匀的碳层，经高温煅烧后得到TiO2@CNT@C。这种独特的双碳改性策略结合了导电材料涂层和高导电材料交联的优点，不仅形成了相互渗透的导电网络，还确保了充放电过程中的结构完整性。在0.2、1、2、5和10Ag-1下，TiO2@CNT@C的平均放电特定容量分别为456.1、340.3、290.5、209.2和143mAh g-1。当电流密度恢复到0.2Ag-1 时，其容量仍然稳定在 437.6mAh g-1。在5Ag-1条件下循环3000次后，TiO2@CNT@C的放电特定容量仍为 170.5mAh g-1，库仑效率接近99%。这项研究为材料的改性提供了一个新思路。