High pseudocapacitive lithium-storage behaviors of amorphous titanium oxides with titanium vacancies and open channels

材料科学 锐钛矿 无定形固体 锂(药物) 阳极 氧化钛 电化学 化学工程 无机化学 冶金 电极 化学 物理化学 有机化学 催化作用 内分泌学 工程类 医学 光催化
作者
Chunjian Xue,Yonghui Zhang,ZhouHuan Nie,Chenqiang Du,Jiwei Zhang,Jingwei Zhang
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:444: 142021-142021 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2023.142021
摘要

Amorphous titanium oxides have emerged as potential substitutable anode materials for high-rate lithium-ion batteries with the merits of abundant lithiation sites and accessible short ion diffusion channels. However, extreme differences in electrochemical properties and a poor understanding of the structure-property relationship for amorphous titanium oxides prepared via various synthetic strategies, hinder their further application. We designed amorphous titanium oxides with a unique structure and provided a moderate understanding of how titanium vacancies /open pore channels affect lithium ions (Li+) transportation behaviors in the amorphous titanium oxides. Galvanostatic charge/discharge curves and cyclic voltammetry (CV) tests revealed that two-step pseudo-capacitive behaviors, different from the diffusion-controlled process in anatase TiO2, mainly control Li+ insertion/extraction capacity in amorphous titanium oxides. Surface chemistry and structure analysis with FTIR and 1H solid-state NMR reveal that amorphous titanium oxides are rich in protons bonded to bridging hydroxyl groups. Density functional theory (DFT) calculations imply that the titanium vacancies and open channels promote lithium insertion/de-insertion processes with the two-step storage behaviors, favoring the pseudo-capacitive type in the amorphous titanium oxides. Our study may provide greater insight into the lithiation behaviors in amorphous materials and helpful guidelines in designing other high-capacity amorphous-oxide electrode materials for alkali-ion batteries.

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