氧空位与钴掺杂协同增强TiO2 同质结储锂性能的机理研究

针对TiO2 基负极材料导电性差、倍率性能不足的问题，研究人员通过构建氧空位和钴掺杂的锐钛矿/金红石同质结空心微球（Co-A/R-TiO2 ），显著提升了Li+ 传输效率与电子导电性。该材料在0.5?C电流密度下循环500次后仍保持443?mAh/g的高可逆容量，为半导体电极材料的缺陷工程与界面设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义

锂离子电池（LiBs）作为现代储能技术的核心，其负极材料性能直接决定电池的安全性与能量密度。传统石墨负极因易形成锂枝晶引发短路，已难以满足高功率设备需求。二氧化钛（TiO₂
）因其1.5?V（vs. Li⁺
/Li）的高工作电压平台成为安全型嵌入负极的候选者，但本征半导体特性导致其导电性差、循环稳定性不足。尽管纳米化、导电包覆等策略可部分改善性能，材料团聚和表面活性问题仍限制其实际应用。

研究设计与方法

云南某研究团队通过模板水热法结合还原烧结，制备了钴掺杂且含氧空位的锐钛矿/金红石同质结空心微球（Co-A/R-TiO₂
）。采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和电化学测试表征材料结构，结合密度泛函理论（DFT）计算分析电子态分布。

研究结果

形貌与结构分析
TEM显示Co-A/R-TiO₂
具有丰富的晶界、界面缺陷和氧空位，这些位点成为Li⁺
存储的额外活性中心。XRD证实钴掺杂拓宽了TiO₂
晶格间距，降低电荷转移电阻。

电化学性能
Co-A/R-TiO₂
在0.5?C下循环500次后容量达443?mAh/g，显著优于未掺杂样品。DFT计算表明钴在费米能级引入连续电子态分布，赋予材料类金属导电特性。

协同机制
空心微球结构缓解体积膨胀，氧空位与钴掺杂协同促进Li⁺
扩散，异质界面内置电场加速电荷传输。

结论与展望

该研究通过缺陷工程与同质结设计的协同策略，实现了TiO₂
负极导电性与储锂性能的本征提升。发表于《Applied Surface Science》的成果为钛基氧化物电极的复兴提供了新范式，其方法论可拓展至其他半导体储能材料的设计。