用于快速充放電且穩(wěn)定循環(huán)鋰離子電池的鈦酸鋰水合物技術研究

【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(shù)。

【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。

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