鈦酸鋰納米花朵（圖片來源：布魯克黑文國家實驗室）

 

       鋰離子電池的工作原理是，在充電時，鋰離子在正極（陰極）和負極（陽極）之間移動；在放電時，鋰離子則以相反的方向移動。現(xiàn)在，智能手機、筆記本電腦和電動汽車所使用的鋰離子電池通常都采用石墨陽極。在充電時，鋰離子會插入到石墨陽極中；在使用電池時，鋰離子則會從電池中退出。

 

       雖然石墨能夠承受數(shù)百甚至數(shù)千次的充放電循環(huán)，但是其不能存儲足夠多的容量，用于能源密集型應用。例如，電動汽車的續(xù)航里程不夠長。此外，石墨無法以高速率（功率）充放電。因此，科學家們一直在尋找替代性陽極材料。

 

      鈦酸鋰（LTO）就是一種很有發(fā)展前景的陽極材料，由鋰、鈦和氧構成。除了能夠以高速率充放電之外，LTO還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并具有足夠的空間容納鋰離子（容量大）。不過，LTO的導電性很差，會導致鋰離子在該材料中的擴散速度很慢。

 

      據(jù)外媒報道，紐約大學州立大學石溪分校（Stony Brook University）材料科學與化學工程系兼職教員兼化學系副教授Amy Marschilok表示：“純LTO的可用容量適中，但是不能快速輸送電能。” Amy Marschilok還擔任Center for Mesoscale Transport Properties的副主任，以及美國能源部布魯克黑文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）跨學科部門能源存儲部門經(jīng)理與科學家。她還表示：“高速率電池材料對于電動汽車、便攜式電動工具和應急電源系統(tǒng)等需要在幾分鐘內快速儲能的應用非常具有吸引力。”

 

      Marschilok還是布魯克黑文國家實驗室-石溪分校小組的成員，該小組從2014年開始合作研究LTO。在最近的研究中，該小組通過摻雜工藝在LTO中添加了氯，從而將其容量提高了12%。

 

      石溪分校化學系杰出教授Stanislaus Wong,也是學生研究團隊主要研究員，他表示：“受控的摻雜工藝能夠改變材料的電子和結構特性。在我的團隊中，我們對采用化學知識來指導設計有利的結構-特性相關性很感興趣。對于LTO，加入摻雜原子可以提高其導電性，使其晶格擴大，將鋰離子傳輸通道變寬。科學家們已經(jīng)測試了很多不同類型的摻雜物，但是沒怎么研究過氯。”

 

      為了制造摻雜了氯的LTO，該團隊采用了一種稱為水熱合成的溶液法。在水熱合成過程中，科學家在水中加入了一種含有相關前體（制成所需產品的反應材料）的溶液，將該混合物放入到了密封容器中，并將其在相對適中的溫度和壓力下放置了一段時間。在此種情況下，為了擴大實驗規(guī)模，科學家選擇了液體鈦前體，而不是之前此類反應中使用的固態(tài)鈦箔。將純LTO和摻雜了氯的LTO利用水熱合成處理36小時后，科學家采用了額外的化學處理步驟來分離所需的材料。該團隊還在布魯克黑文國家實驗室功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設施中采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行成像研究，發(fā)現(xiàn)兩種樣品都具有“花朵形狀”的納米結構，也表明化學處理過程并沒有破壞材料原有的結構。

 

      Wong表示：“我們的新型合成法促進了更快、更統(tǒng)一、更高效的反應，可以大規(guī)模制出此類3D納米“花朵”，而此種獨特的架構有很大的表面積，“花瓣”從中心向外輻射，此種結構也為鋰離子進入該材料提供了多種路徑。”

 

      通過改變氯、鋰和前體的濃度、前體的純度以及反應時間，科學家們找到了打造高晶體納米材料的最佳條件。科學家們利用此類優(yōu)化過的樣品進行了幾次電化學測試，結果發(fā)現(xiàn)，在電池以高速率放電30分鐘時，摻雜氯的LTO有更大的可用容量，而且在電池充放電循環(huán)超過100次后，此種性能仍得以保持。

 

      為了理解為何可以改進性能，該團隊采用了計算理論，對摻雜氯引起的結構和電子變化進行了建模。在計算摻雜氯的LTO最穩(wěn)定的幾何結構時，該團隊發(fā)現(xiàn)，氯更喜歡替代LTO結構中氧的位置。

 

      接下來，該團隊將研究3D納米花朵形狀如何影響鋰離子傳輸。此外，他們也在探索其他原子級陽極和陰極替代材料，以改善鋰離子傳輸。