Interpenetrated Networks between Graphitic Carbon Infilling and Ultrafine TiO2 Nanocrystals with Patterned Macroporous Structure for High-Performance Lithium Ion Batteries

材料科学 阳极 锂(药物) 化学工程 介孔材料 电极 纳米颗粒 碳纤维 电解质 复合数 纳米技术 复合材料 催化作用 有机化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学 化学
作者
Wenji Zheng,Zhijun Yan,Yan Dai,Naixu Du,Xiaobin Jiang,Hailing Dai,Xiangcun Li,Gaohong He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (24): 20491-20500 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsami.7b02345
摘要

Interpenetrated networks between graphitic carbon infilling and ultrafine TiO2 nanocrystals with patterned macropores (100-200 nm) were successfully synthesized. Polypyrrole layer was conformably coated on the primary TiO2 nanoparticles (∼8 nm) by a photosensitive reaction and was then transformed into carbon infilling in the interparticle mesopores of the TiO2 nanoparticles. Compared to the carbon/graphene supported TiO2 nanoparticles or carbon coated TiO2 nanostructures, the carbon infilling would provide a conductive medium and buffer layer for volume expansion of the encapsulated TiO2 nanoparticles, thus enhancing conductivity and cycle stability of the C-TiO2 anode materials for lithium ion batteries (LIBs). In addition, the macropores with diameters of 100-200 nm in the C-TiO2 anode and the mesopores in carbon infilling could improve electrolyte transportation in the electrodes and shorten the lithium ion diffusion length. The C-TiO2 electrode can provide a large capacity of 192.8 mA h g-1 after 100 cycles at 200 mA g-1, which is higher than those of the pure macroporous TiO2 electrode (144.8 mA h g-1), C-TiO2 composite electrode without macroporous structure (128 mA h g-1), and most of the TiO2 based electrodes in the literature. Importantly, the C-TiO2 electrode exhibits a high rate performance and still delivers a high capacity of ∼140 mA h g-1 after 1000 cycles at 1000 mA g-1 (∼5.88 C), suggesting good lithium storage properties of the macroporous C-TiO2 composites with high capacity, cycle stability, and rate capability. This work would be instructive for designing hierarchical porous TiO2 based anodes for high-performance LIBs.

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