研究發(fā)現(xiàn)高壓非晶態(tài)鈦酸鋰導(dǎo)電率有效提升

最近，北京高壓科學(xué)研究中心和中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、北京物理研究所等多個(gè)單位合作，結(jié)合原位高壓實(shí)驗(yàn)研究和第一性原理計(jì)算的方法，對(duì)鈦酸鋰在高壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率等性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)高壓下非晶態(tài)鈦酸鋰擁有更高的離子電導(dǎo)率，很可能成為一種潛在的優(yōu)秀鋰離子電池材料，為開發(fā)更多較高離子電導(dǎo)率的鋰離子電池材料提供了一條新的途徑。

可充放電電池，已經(jīng)成為信息時(shí)代不可或缺的日常用品之一。它的廣泛應(yīng)用成功解放了許多原本不能移動(dòng)的用電設(shè)備和儀器，促進(jìn)了電子、信息、運(yùn)輸?shù)戎T多產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。雖然鋰電池已經(jīng)開始被應(yīng)用于電動(dòng)汽車，但是目前最先進(jìn)的鋰電池的儲(chǔ)能密度尚不足汽油燃料能量密度的五分之一。因此，發(fā)展具有更優(yōu)性能的電池材料迫在眉睫。

尖晶石型鈦酸鋰(Li4Ti5O12，LTO)被稱為“零應(yīng)變”鋰電池材料，其結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，在鋰離子嵌入和脫出過程中其晶胞體積幾乎不變。較高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使它具有優(yōu)良的循環(huán)性能和穩(wěn)定的放電電壓。除此之外，它還具有較高的電極電壓和較快的充放電速度等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使鈦酸鋰成為重要的鋰離子電池材料。然而美中不足，鈦酸鋰的電導(dǎo)率很低，束縛了其在高功率電池需求中的應(yīng)用。為了提高其電導(dǎo)率，科學(xué)家們做了大量的研究和探索，但效果并不顯著。

壓力，作為重要的熱力學(xué)參數(shù)，可以改變物質(zhì)的原子間距，并引發(fā)一系列材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化。很多常溫常壓下穩(wěn)定的材料，在高壓下都會(huì)發(fā)生壓致相變，從而產(chǎn)生一種或多種新型化合物，可見壓力為新材料的探索提供了一個(gè)新的維度。因此，高壓下探索和合成新型材料已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向。然而，對(duì)于鋰離子電池材料，壓力通常會(huì)限制鋰離子在晶格中的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致較低的鋰離子電導(dǎo)率，阻礙了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。

最近，北京高壓科學(xué)研究中心王霖課題組和中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、北京物理研究所等多個(gè)單位合作，結(jié)合原位高壓實(shí)驗(yàn)研究和第一性原理計(jì)算的方法，對(duì)鈦酸鋰在高壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率等性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究。相關(guān)研究結(jié)果以“Li-ion battery material under high pressure: amorphization and enhanced conductivity of Li4Ti5O12”為題在線發(fā)表于《國家科學(xué)評(píng)論》(Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy122)。

在該項(xiàng)研究中，作者利用金剛石對(duì)頂砧高壓原位測(cè)量技術(shù)，對(duì)鈦酸鋰在高壓下的結(jié)構(gòu)相變和電導(dǎo)率進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)鈦酸鋰在高壓下結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生畸變;當(dāng)壓力達(dá)到270,000大氣壓時(shí)，由于晶格畸變過于嚴(yán)重，會(huì)發(fā)生不可逆的非晶相變。卸壓過程中發(fā)現(xiàn)，該非晶相的鈦酸鋰可以保留至常壓。原位電導(dǎo)率測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該非晶化鈦酸鋰在高壓下和常壓下都有更高的電導(dǎo)率。

在壓力加載和卸載過程中，鈦酸鋰的電阻以及晶體結(jié)構(gòu)隨壓力的變化情況

利用第一性原理計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)對(duì)鈦酸鋰在高壓下的相變以及電導(dǎo)率變化機(jī)理進(jìn)行了深入研究。計(jì)算結(jié)果表明，高壓下鈦酸鋰晶格中的兩種組成單元LiO6和TiO6八面體的壓縮率差別很大;LiO6的壓縮率不足TiO6的四分之一。這導(dǎo)致了鈦酸鋰在高壓下的不穩(wěn)定，從而晶格發(fā)生畸變。隨著壓力升高，畸變?cè)絿?yán)重，在約270,000大氣壓時(shí)導(dǎo)致了非晶化。該非晶化的鈦酸鋰為鋰離子的遷移提供了更多的空位，因而即使在室溫下也具有較高的鋰離子電導(dǎo)率。

該研究結(jié)果增進(jìn)了我們對(duì)高壓下鈦酸鋰結(jié)構(gòu)性能和導(dǎo)電性能的理解。由于擁有更高的離子電導(dǎo)率，非晶態(tài)鈦酸鋰很可能成為一種潛在的優(yōu)秀鋰離子電池材料。更重要的是，本研究表明，壓力作用可以提高材料的離子電導(dǎo)率，從而為開發(fā)更多較高離子電導(dǎo)率的鋰離子電池材料提供了一條新的途徑。

文章信息：

Li-ion battery material under high pressure: amorphization and enhanced conductivity of Li4Ti5O12

Yanwei Huang, Yu He, Howard Sheng, Xia Lu, Haini Dong, Fengjiao Chen, Sudeshna Samanta, Hongliang Dong, Xifeng Li, Duck Young Kim, Ho-kwang Mao, Yuzi Liu, Heping Li, Hong Li and Lin Wang

Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy122

儲(chǔ)能是能源革命的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，隨著政策利好和示范項(xiàng)目落地，儲(chǔ)能在可再生能源發(fā)電、輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)以及分布式能源微電網(wǎng)都顯示出重要價(jià)值和廣闊前景。與此同時(shí)，儲(chǔ)能也迎來眾多新力量的加盟，為共推儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，北極星電力網(wǎng)、北極星儲(chǔ)能網(wǎng)特推出儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)專題培訓(xùn)班。