Designing a high-performance nitrogen-doped titanium dioxide anode material for lithium-ion batteries by unravelling the nitrogen doping effect

兴奋剂 材料科学 阳极 锂(药物) 纳米技术 间质缺损 离子 电化学 二氧化钛 化学物理 光电子学 电极 复合材料 物理化学 化学 有机化学 内分泌学 医学
作者
Won Ho Choi,Chi H. Lee,Hee-eun Kim,Sang Uck Lee,Jin Ho Bang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:74: 104829-104829 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104829
摘要

Despite its great potential, the use of TiO2 in lithium-ion batteries has been hampered by its intrinsically low electrical and ionic conductivities. Although nitrogen doping (N-doping) has been widely practiced to address this issue, a comprehensive understanding of how N-doping improves those poor intrinsic properties is still lacking. For this work, we performed a computational study and found that the N-doping effect relies intimately on where the N is implanted in the TiO2 lattice: interstitial N is more beneficial than substitutional N in enhancing those conductivities. Therefore, we devised a new N-doping strategy based on a self-N-doping route that enables subtle tuning of the nitrogen distribution in TiO2. Unlike conventional N-doping methods that leave the doped N predominantly on the surface, our new approach enables the preferential implantation of interstitial N into the interior of TiO2. In-depth electrochemical analyses combined with physical characterization reveal that this unique falling gradient N-doping from the core to the surface is more beneficial than the common rising gradient N-doping in enhancing the performance of TiO2 in lithium ion batteries. This new insight highlights the importance of crystallographic location and spatial distribution in N-doping, which will form the foundation of a new design principle for high-performance N-doped TiO2.
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