美国用掺杂氯的钛酸锂取代石墨阳极 制大容量的锂离子电池

锂离子电池的工作原理是，在充电时，锂离子在正极（阴极）和负极（阳极）之间移动；在放电时，锂离子则以相反的方向移动。现在，智能手机、笔记本电脑和电动汽车所使用的锂离子电池通常都采用石墨阳极。在充电时，锂离子会插入到石墨阳极中；在使用电池时，锂离子则会从电池中退出。

钛酸锂纳米花朵（图片来源：布鲁克黑文国家实验室）

虽然石墨能够承受数百甚至数千次的充放电循环，但是其不能存储足够多的容量，用于能源密集型应用。例如，电动汽车的续航里程不够长。此外，石墨无法以高速率（功率）充放电。因此，科学家们一直在寻找替代性阳极材料。

钛酸锂（LTO）就是一种很有发展前景的阳极材料，由锂、钛和氧构成。除了能够以高速率充放电之外，LTO还具有良好的循环稳定性，并具有足够的空间容纳锂离子（容量大）。不过，LTO的导电性很差，会导致锂离子在该材料中的扩散速度很慢。

据外媒报道，纽约大学州立大学石溪分校（Stony Brook University）材料科学与化学工程系兼职教员兼化学系副教授Amy Marschilok表示：“纯LTO的可用容量适中，但是不能快速输送电能。” Amy Marschilok还担任Center for Mesoscale Transport Properties的副主任，以及美国能源部布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）跨学科部门能源存储部门经理与科学家。她还表示：“高速率电池材料对于电动汽车、便携式电动工具和应急电源系统等需要在几分钟内快速储能的应用非常具有吸引力。”

Marschilok还是布鲁克黑文国家实验室-石溪分校小组的成员，该小组从2014年开始合作研究LTO。在最近的研究中，该小组通过掺杂工艺在LTO中添加了氯，从而将其容量提高了12%。

石溪分校化学系杰出教授Stanislaus Wong,也是学生研究团队主要研究员，他表示：“受控的掺杂工艺能够改变材料的电子和结构特性。在我的团队中，我们对采用化学知识来指导设计有利的结构-特性相关性很感兴趣。对于LTO，加入掺杂原子可以提高其导电性，使其晶格扩大，将锂离子传输通道变宽。科学家们已经测试了很多不同类型的掺杂物，但是没怎么研究过氯。”

为了制造掺杂了氯的LTO，该团队采用了一种称为水热合成的溶液法。在水热合成过程中，科学家在水中加入了一种含有相关前体（制成所需产品的反应材料）的溶液，将该混合物放入到了密封容器中，并将其在相对适中的温度和压力下放置了一段时间。在此种情况下，为了扩大实验规模，科学家选择了液体钛前体，而不是之前此类反应中使用的固态钛箔。将纯LTO和掺杂了氯的LTO利用水热合成处理36小时后，科学家采用了额外的化学处理步骤来分离所需的材料。该团队还在布鲁克黑文国家实验室功能纳米材料中心（CFN）的电子显微镜设施中采用扫描电子显微镜（SEM）进行成像研究，发现两种样品都具有“花朵形状”的纳米结构，也表明化学处理过程并没有破坏材料原有的结构。

Wong表示：“我们的新型合成法促进了更快、更统一、更高效的反应，可以大规模制出此类3D纳米“花朵”，而此种独特的架构有很大的表面积，“花瓣”从中心向外辐射，此种结构也为锂离子进入该材料提供了多种路径。”

通过改变氯、锂和前体的浓度、前体的纯度以及反应时间，科学家们找到了打造高晶体纳米材料的最佳条件。科学家们利用此类优化过的样品进行了几次电化学测试，结果发现，在电池以高速率放电30分钟时，掺杂氯的LTO有更大的可用容量，而且在电池充放电循环超过100次后，此种性能仍得以保持。

为了理解为何可以改进性能，该团队采用了计算理论，对掺杂氯引起的结构和电子变化进行了建模。在计算掺杂氯的LTO最稳定的几何结构时，该团队发现，氯更喜欢替代LTO结构中氧的位置。

接下来，该团队将研究3D纳米花朵形状如何影响锂离子传输。此外，他们也在探索其他原子级阳极和阴极替代材料，以改善锂离子传输。