清華材料學(xué)院唐子龍研究組在超長(zhǎng)壽命高倍率鋰離子電池材料方面取得突破
清華新聞網(wǎng)9月21日電 9月20日，清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授研究組在《自然 通訊》（Nature Communications）上發(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）的研究成果。該成果針對(duì)鈦基儲(chǔ)能材料領(lǐng)域，報(bào)道了一系列鈦酸鋰水合物，應(yīng)用于超長(zhǎng)循環(huán)壽命且高倍率性能的鋰離子電池，有效拓展了儲(chǔ)能材料的研究范圍，并提供了電極材料改性的新思路。
圖1. Li2O-TiO2-H2O三元相圖及鈦酸鋰水合物的合成路線(xiàn)圖。
目前常用的鋰離子電池均采用有機(jī)電解液，其中所含的電解質(zhì)六氟磷酸鋰（LiPF6）是一種遇水易分解的物質(zhì)，因此傳統(tǒng)觀(guān)念中鋰離子電池的電極材料都是需要在高溫下煅燒來(lái)充分除水。但是這會(huì)使得材料發(fā)生顆粒團(tuán)聚和晶粒粗化等難以避免的副反應(yīng)。而唐子龍教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的鋰-氫-鈦-氧（Li-H-Ti-O）體系材料與目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的性能優(yōu)異的鋰-鈦-氧（Li-Ti-O）體系、鈦-氧（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(dāng)甚至更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。作為含“水”的電極材料，這類(lèi)鈦酸鋰水合物能夠在高電壓有機(jī)電解液體系中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)上萬(wàn)次的穩(wěn)定循環(huán)，這打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知。在材料晶體內(nèi)部牢固結(jié)合的所謂“結(jié)晶水”，非但沒(méi)有破壞電極材料在有機(jī)電解液體系下的電化學(xué)性能，反而促進(jìn)了晶體結(jié)構(gòu)的多樣性（如二維層狀）以及納米復(fù)合材料的構(gòu)筑，從本質(zhì)上提高了材料的離子擴(kuò)散系數(shù)。
圖2. 鈦酸鋰水合物合成過(guò)程及材料快速嵌鋰/脫鋰過(guò)程的示意圖。
運(yùn)用鋰-氫-鈦-氧（Li-H-Ti-O）體系材料的改性新思路及其本質(zhì)性、普適性的特征規(guī)律，可以拓展該體系電極材料性能調(diào)整及優(yōu)化的自由度，還有望對(duì)其它含氫組分的過(guò)渡金屬化合物體系在能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供較大的啟發(fā)與指導(dǎo)依據(jù)。
圖3. 鈦酸鋰水合物前驅(qū)體在加熱脫水過(guò)程中的X射線(xiàn)衍射分析（a-b）以及電化學(xué)性能對(duì)比圖（c-d）。
論文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陸俊研究員和美國(guó)麻省理工學(xué)院的李巨教授，第一作者是清華大學(xué)材料學(xué)院2012級(jí)博士生王詩(shī)童。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金以及美國(guó)能源部等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
http://www.nature.com/articles/s41467-017-00574-9
供稿：材料學(xué)院 編輯：華山
