Nature Communications：一種用於超長壽命高倍率鋰離子電池的鈦酸鋰水合物

最新 09-24

【引言】

目前常用的鋰離子電池均採用有機電解液，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）在線發表題為《一種鈦酸鋰水合物——用於快速充放電且穩定循環的鋰離子電池》（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，應用於超長循環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範圍，並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】

該研究團隊發現的Li-H-Ti-O體系材料與目前國內外報道的性能優異的Li-Ti-O體系、Ti-O體系材料（包括納米化、摻雜和包覆之後的材料）相比，具有相當甚至更加優異的電化學性能。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長達上萬次的穩定循環，這打破了人們的傳統認知。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）以及納米複合材料的構築，從本質上提高了材料的離子擴散係數。

【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的（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）在電壓範圍1.0~2.5 V、電流密度為100 mA g-1下的穩定充放電曲線，（e）倍率性能及（f）在4000 mA g-1下的循環性能比較。

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）關於掃描速率（v）的響應關係；（b）LS電極材料在100 mA g-1下第三次循環的原位同步輻射XRD結果（c）LS、HN和DN三種電極在不同SOC下的鋰離子擴散係數比較；HN 納米材料的（d）HRTEM圖，（e）d中方框部分放大圖以及（f）選區電子衍射圖。