Defect generation in TiO2 nanotube anodes via heat treatment in various atmospheres for lithium-ion batteries

文献情報

出版日 2018-08-16
DOI 10.1039/C8CP04368J
インパクトファクター 3.676
著者

Andreas I. Savva, Kassiopeia A. Smith, Matthew Lawson, Sterling R. Croft, Ariel E. Weltner, Chris D. Jones, Hailey Bull, Paul J. Simmonds, Lan Li, Hui Xiong


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要旨

In this paper, ordered TiO2 nanotubes were grown on a Ti substrate via electrochemical anodization and subsequently annealed at 450 °C for 4 h under various atmospheres to create different point defects. Oxygen-deficient environments such as Ar and N2 were used to develop oxygen vacancies, while a water vapor (WV) atmosphere was used to generate titanium vacancies. Computational models by density functional theory predicted that the presence of oxygen vacancies would cause electronic conductivity to increase, while the presence of Ti vacancies could lead to decreased conductivity. The predictions were confirmed by two-point electrical conductivity measurements and Mott–Schottky analysis. Raman spectroscopy was also conducted to confirm the presence of defects. The annealed samples were then evaluated as anodes in lithium-ion batteries. The oxygen-deficient samples had an improvement in capacity by 10% and 25% for Ar- and N2-treated samples, respectively, while the WV-treated sample displayed a capacity increase of 24% compared to the stoichiometric control sample (annealed in O2). Electrochemical impedance spectroscopy studies revealed that the WV-treated sample's increased capacity was a consequence of its higher Li diffusivity. The results suggest that balanced electrical and ionic conductivity in nanostructured metal oxide anodes can be tuned through defect generation using heat treatments in various atmospheres for improved electrochemical properties.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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