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(shù)研究
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(zhì)LiPF6是一種遇水易分解的物質(zhì)，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。
該研究團隊發(fā)現(xiàn)的Li-H-Ti-O體系材料與目前國內(nèi)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(nèi)部牢固結(jié)合的所謂“結(jié)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(jié)構(gòu)的多樣性（如二維層狀）以及納米復合材料的構(gòu)筑，從本質(zhì)上提高了材料的離子擴散系數(shù)。
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(qū)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。
圖4 鈦酸鋰水合物電化學機理分析
（a）LS、HN和DN三種電極的陽極峰值電流（jp）關(guān)于掃描速率（v）的響應關(guān)系；（b）LS電極材料在100 mA g-1下第三次循環(huán)的原位同步輻射XRD結(jié)果（c）LS、HN和DN三種電極在不同SOC下的鋰離子擴散系數(shù)比較；HN 納米材料的（d）HRTEM圖，（e）d中方框部分放大圖以及（f）選區(qū)電子衍射圖。
圖5 AC//HN鋰離子電容的電化學性能
（a）從10 mV s-1到100 mV s-1的CV掃描曲線，（b）能量密度與功率密度的Ragone圖，以及（c）在2000 mA g-1的電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性與庫倫效率圖。運用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，還有望對其它含氫組分的過渡金屬化合物體系在能源材料領(lǐng)域的應用提供較大的啟發(fā)與指導依據(jù)。
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