【引言】
目前常用的鋰離子電池均采用有機電解液，其中所含的電解質LiPF6是一種遇水易分解的物質，因此傳統(tǒng)觀念中鋰離子電池的電極材料都是需要在高溫下煅燒來充分除水。但是這會使得材料發(fā)生顆粒團聚和晶粒粗化等難以避免的副反應。
【成果簡介】
9月20日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為《一種鈦酸鋰水合物——用于快速充放電且穩(wěn)定循環(huán)的鋰離子電池》（Lithium Titanate Hydrates with Superfast and Stable Cycling in Lithium Ion Batteries）的研究論文。該成果針對鈦基儲能材料領域，報道了一系列鈦酸鋰水合物，應用于超長循環(huán)壽命且高倍率性能的鋰離子電池，有效拓展了儲能材料的研究范圍，并提供了電極材料改性的新思路。該論文的通訊作者為清華大學材料學院唐子龍教授、美國阿貢國家實驗室的陸俊研究員和美國麻省理工學院的李巨教授，第一作者是清華大學材料學院2012級博士生王詩童。
【本文亮點】
該研究團隊發(fā)現(xiàn)的Li-H-Ti-O體系材料與目前國內外報道的性能優(yōu)異的Li-Ti-O體系、Ti-O體系材料（包括納米化、摻雜和包覆之后的材料）相比，具有相當甚至更加優(yōu)異的電化學性能。作為含“水”的電極材料，這類鈦酸鋰水合物能夠在高電壓有機電解液體系中實現(xiàn)長達上萬次的穩(wěn)定循環(huán)，這打破了人們的傳統(tǒng)認知。在材料晶體內部牢固結合的所謂“結晶水”，非但沒有破壞電極材料在有機電解液體系下的電化學性能，反而促進了晶體結構的多樣性（如二維層狀）以及納米復合材料的構筑，從本質上提高了材料的離子擴散系數。
【圖文導讀】
圖1 Li2O-TiO2-H2O三元相圖及鈦酸鋰水合物的合成路線圖
圖2 鈦酸鋰水合物合成過程及材料快速嵌鋰/脫鋰過程的示意圖
圖3 鈦酸鋰水合物前驅體在加熱脫水過程中
（a）熱重分析，（b）離位XRD分析以及（c）原位同步輻射HEXRD等高線圖（其中紅色表示衍射強度最高，藍色表示衍射強度最低）；HN、LS和DN電極材料（d）在電壓范圍1.0~2.5 V、電流密度為100 mA g-1下的穩(wěn)定充放電曲線，（e）倍率性能及（f）在4000 mA g-1下的循環(huán)性能比較。
圖4 鈦酸鋰水合物電化學機理分析
（a）LS、HN和DN三種電極的陽極峰值電流（jp）關于掃描速率（v）的響應關系；（b）LS電極材料在100 mA g-1下第三次循環(huán)的原位同步輻射XRD結果（c）LS、HN和DN三種電極在不同SOC下的鋰離子擴散系數比較；HN 納米材料的（d）HRTEM圖，（e）d中方框部分放大圖以及（f）選區(qū)電子衍射圖。
圖5 AC//HN鋰離子電容的電化學性能
（a）從10 mV s-1到100 mV s-1的CV掃描曲線，（b）能量密度與功率密度的Ragone圖，以及（c）在2000 mA g-1的電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性與庫倫效率圖。
【展望】
運用Li-H-Ti-O體系材料的改性新思路及其本質性、普適性的特征規(guī)律，可以拓展該體系電極材料性能調整及優(yōu)化的自由度，還有望對其它含氫組分的過渡金屬化合物體系在能源材料領域的應用提供較大的啟發(fā)與指導依據。
會員中心
