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單位合作，結(jié)合原位高壓實驗研究和第一性原理計算的方法，對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)進行了細致的研究，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的用電設(shè)備和儀器，促進了電子、信息、運輸?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)用于電動汽車，但是目前最先進的鋰電池的儲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。這些優(yōu)勢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)成為一個重要的研究方向。然而，對于鋰離子電池材料，壓力通常會限制鋰離子在晶格中的遷移和擴散，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單位合作，結(jié)合原位高壓實驗研究和第一性原理計算的方法，對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)進行了細致的研究。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)評論》(Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy122)。

在該項研究中，作者利用金剛石對頂砧高壓原位測量技術(shù)，對鈦酸鋰在高壓下的結(jié)構(gòu)相變和電導(dǎo)率進行了表征，發(fā)現(xiàn)鈦酸鋰在高壓下結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，會發(fā)生畸變;當壓力達到270,000大氣壓時，由于晶格畸變過于嚴重，會發(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

利用第一性原理計算，該團隊對鈦酸鋰在高壓下的相變以及電導(dǎo)率變化機理進行了深入研究。計算結(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，畸變越嚴重，在約270,000大氣壓時導(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)果增進了我們對高壓下鈦酸鋰結(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

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

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