在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院支持下，中科院化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗室的研究人員，在開發(fā)新型非碳類無機(jī)材料包覆的納米鈦酸鋰材料，提高其界面穩(wěn)定性和倍率性能方面取得新進(jìn)展。研究結(jié)果以全文的形式發(fā)表在J. Am. Chem. Soc., (2012, 134, 7874−7879)上。
研究人員通過調(diào)控水熱反應(yīng)中Li:Ti投料比，合成出高質(zhì)量鈦酸鋰納米片負(fù)極材料（LTO-600）和側(cè)面包覆有金紅石TiO2的鈦酸鋰納米片負(fù)極材料（LTO-RT-600）。他們與中科院物理所和日本的科研人員合作，通過球差校正透射電子顯微鏡（STEM）直接觀察到原子級分辨的圖像，證明沿Li4Ti5O12 [001]方向上的確原位生長出1納米厚的金紅石TiO2包覆層（圖1）。
電化學(xué)性能測試表明，金紅石TiO2包覆后，鈦酸鋰負(fù)極材料的極化降低，比容量、高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高（圖2）。在1C條件下，其比容量為178 mA h g−1。即使在60C條件下，仍具有110 mA h g−1的比容量，比包覆前提高了10倍。為了揭示性能提高的原因，他們通過交流阻抗和Li擴(kuò)散系數(shù)測量發(fā)現(xiàn)，金紅石TiO2包覆后，電極材料體系的界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗降低了一半，Li的傳輸能力提高了10倍。仔細(xì)研究分析發(fā)現(xiàn)，這一包覆的高效性在于金紅石TiO2僅存在于側(cè)面，并未完全包覆鈦酸鋰納米片，因此不會阻礙鋰離子沿Li4Ti5O12 [110]方向的傳輸。
此外，由于金紅石TiO2在鈦酸鋰使用電壓范圍內(nèi)也具有儲鋰活性，可以形成具有較高Li+/e-傳導(dǎo)能力的LixTiO2，并改善鈦酸鋰與電解質(zhì)界面的傳質(zhì)過程。這些研究結(jié)果不但加深了對非化學(xué)計量比鈦酸鋰負(fù)極材料的認(rèn)識，而且為開發(fā)新型高效、高安全性電極包覆材料和包覆方法提供了新思路。
圖1 側(cè)面具有金紅石TiO2包覆的鈦酸鋰納米片（LTO-RT-600）的STEM照片
圖2 金紅石TiO2包覆前后鈦酸鋰負(fù)極材料的電化學(xué)性能對比
