鈦酸鋰納米花朵（：布魯克黑文國家實驗室）

鋰電池的工作原理是,，在充電時,，鋰離子在正極（陰極）和負(fù)極（陽極）之間移動；在放電時,，鋰離子則以相反的方向移動?，F(xiàn)在，智能手機(jī),、筆記本電腦和電動汽車所使用的鋰電池通常都采用石墨陽極,。在充電時，鋰離子會插入到石墨陽極中,；在使用電池時,，鋰離子則會從電池中退出。

雖然石墨能夠承受數(shù)百甚至數(shù)千次的充放電循環(huán),，但是其不能存儲足夠多的容量,，用于能源密集型應(yīng)用。例如,，電動汽車的續(xù)航里程不夠長,。此外，石墨無法以高速率（功率）充放電,。因此,，科學(xué)家們一直在尋找替代性陽極材料。

鈦酸鋰（LTO）就是一種很有發(fā)展前景的陽極材料,，由鋰,、鈦和氧構(gòu)成。除了能夠以高速率充放電之外,，LTO還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,，并具有足夠的空間容納鋰離子（容量大）。不過,，LTO的導(dǎo)電性很差,，會導(dǎo)致鋰離子在該材料中的擴(kuò)散速度很慢。

據(jù)外媒報道,，紐約大學(xué)州立大學(xué)石溪分校（StonyBrookUniversity）材料科學(xué)和化學(xué)工程系兼職教員兼化學(xué)系副教授AmyMarschilok表示：純LTO的可用容量適中,，但是不能快速輸送電能。AmyMarschilok還擔(dān)任CenterforMesoscaleTransportProperties的副主任,，以及美國能源部布魯克黑文國家實驗室（BrookhavenNationalLaboratory）跨學(xué)科部門能源存儲部門經(jīng)理和科學(xué)家,。她還表示：高速率電池材料關(guān)于電動汽車、便攜式電動工具和應(yīng)急電源系統(tǒng)等要在幾分鐘內(nèi)快速儲能的應(yīng)用非常具有吸引力,。

Marschilok還是布魯克黑文國家實驗室-石溪分校小組的成員,，該小組從2014年開始合作研究LTO。在最近的研究中,，該小組通過摻雜工藝在LTO中添加了氯,，從而將其容量提高了12%。

石溪分?；瘜W(xué)系杰出教授StanislausWong,也是學(xué)生研究團(tuán)隊重要研究員,，他表示：受控的摻雜工藝能夠改變材料的電子和結(jié)構(gòu)特性。在我的團(tuán)隊中,，我們對采用化學(xué)知識來指導(dǎo)設(shè)計有利的結(jié)構(gòu)-特性相關(guān)性很感興趣,。關(guān)于LTO，加入摻雜原子可以提高其導(dǎo)電性,，使其晶格擴(kuò)大,，將鋰離子傳輸通道變寬?？茖W(xué)家們已經(jīng)測試了很多不同類型的摻雜物,，但是沒怎么研究過氯。

為了制造摻雜了氯的LTO,，該團(tuán)隊采用了一種稱為水熱合成的溶液法,。在水熱合成過程中，科學(xué)家在水中加入了一種含有相關(guān)前體（制成所需產(chǎn)品的反應(yīng)材料）的溶液,，將該混合物放入到了密封容器中,，并將其在相對適中的溫度和壓力下放置了一段時間。在此種情況下,，為了擴(kuò)大實驗規(guī)模,，科學(xué)家選擇了液體鈦前體,，而不是之前此類反應(yīng)中使用的固態(tài)鈦箔。將純LTO和摻雜了氯的LTO利用水熱合成處理36小時后,，科學(xué)家采用了額外的化學(xué)處理步驟來分離所需的材料,。該團(tuán)隊還在布魯克黑文國家實驗室功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設(shè)施中采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行成像研究，發(fā)現(xiàn)兩種樣品都具有花朵形狀的納米結(jié)構(gòu),，也表明化學(xué)處理過程并沒有破壞材料原有的結(jié)構(gòu),。

Wong表示：我們的新型合成法促進(jìn)了快、統(tǒng)一,、高效的反應(yīng),，可以大規(guī)模制出此類3D納米花朵，而此種獨特的架構(gòu)有很大的表面積,，花瓣從中心向外輻射,，此種結(jié)構(gòu)也為鋰離子進(jìn)入該材料供應(yīng)了多種路徑。

通過改變氯,、鋰和前體的濃度,、前體的純度以及反應(yīng)時間，科學(xué)家們找到了打造高晶體納米材料的最佳條件,?？茖W(xué)家們利用此類優(yōu)化過的樣品進(jìn)行了幾次電化學(xué)測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在電池以高速率放電30分鐘時,，摻雜氯的LTO有大的可用容量，而且在電池充放電循環(huán)超過100次后,，此種性能仍得以保持,。

為了理解為何可以改進(jìn)性能，該團(tuán)隊采用了計算理論,，對摻雜氯引起的結(jié)構(gòu)和電子變化進(jìn)行了建模,。在計算摻雜氯的LTO最穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)時，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),，氯喜歡替代LTO結(jié)構(gòu)中氧的位置,。

接下來，該團(tuán)隊將研究3D納米花朵形狀如何影響鋰離子傳輸,。此外,，他們也在探索其他原子級陽極和陰極替代材料，以改善鋰離子傳輸,。

聲明： 本網(wǎng)站所發(fā)布文章,，均來自于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本站觀點，如有侵權(quán),，請聯(lián)系刪除（微信：ymk15762271767）