科學(xué)家通過一種具有獨(dú)特花形納米結(jié)構(gòu)的有前途的高速率電極材料，在許多充電和放電循環(huán)中提高了科學(xué)家的電池容量。

鈦酸鋰（鋰，鈦，氧）“納米花”的掃描電子顯微鏡圖像。圖片：BNL）

鋰離子電池的工作原理是，在充電過程中將鋰離子在正極（陰極）和負(fù)極（陽極）之間打亂，并在放電過程中沿相反的方向穿梭。我們的智能手機(jī)，筆記本電腦和電動(dòng)汽車通常使用鋰離子電池，其負(fù)極由石墨（一種碳）制成。在為電池充電時(shí)，鋰會(huì)插入石墨中，而在使用電池時(shí)會(huì)被取出。

盡管石墨可以在數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)循環(huán)中可逆地充電和放電，但它可以存儲(chǔ)的鋰容量，不足以用于高能耗的應(yīng)用。例如，電動(dòng)汽車只能行駛那么遠(yuǎn)，就需要充電。此外，石墨不能以很高的速率（功率）進(jìn)行充電或放電。由于這些限制，科學(xué)家一直在尋找替代陽極材料。

一種有希望的陽極材料是鈦酸鋰（LTO），它包含鋰，鈦和氧。除了其高倍率性能外，LTO還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并在其結(jié)構(gòu)內(nèi)保持空位以容納鋰離子。但是，LTO導(dǎo)電性差，鋰離子擴(kuò)散到材料中的速度很慢。

“純LTO具有適度的可用容量，但可以快速提供動(dòng)力，”化學(xué)系副教授，石溪大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程系兼職教員艾米·馬斯霍洛克（AmyMarschilok）表示，她還曾擔(dān)任美國中型運(yùn)輸性質(zhì)中心（m2M）副主任，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室跨學(xué)科科學(xué)部?jī)?chǔ)能部門經(jīng)理和科學(xué)家。“高速率電池材料對(duì)于希望在幾分鐘內(nèi)快速使用存儲(chǔ)的能量的應(yīng)用具有吸引力，例如電動(dòng)汽車，便攜式電動(dòng)工具和應(yīng)急電源系統(tǒng)。”

Marschilok是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室跨學(xué)科研究小組的成員，該小組于2014年開始合作進(jìn)行LTO研究。在他們的最新研究中，他們通過稱為摻雜的過程添加氯，將LTO的能力提高了12％。

“受控?fù)诫s可以改變材料的電子和結(jié)構(gòu)特性，”石溪大學(xué)化學(xué)系杰出教授斯坦尼斯勞斯·王（StanislausWong）解釋說，他還是黃氏集團(tuán)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的首席研究員。“在我的小組中，我們對(duì)開發(fā)和使用化學(xué)方法來指導(dǎo)有利的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)性感興趣。對(duì)于LTO，摻入摻雜劑原子可以提高電導(dǎo)率并擴(kuò)展晶格，從而使鋰離子遷移的通道變寬。科學(xué)家已經(jīng)測(cè)試了許多不同類型的摻雜劑，但是對(duì)氯的研究還不夠多。”

為了制造“氯摻雜”LTO，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為水熱合成的基于溶液的方法。在水熱合成中，科學(xué)家將一種溶液添加到水中，該溶液中含有相關(guān)的前體（能反應(yīng)形成所需產(chǎn)物的物質(zhì)），將混合物置于密封的容器中，并使其在相對(duì)適度的溫度和壓力下暴露一定的時(shí)間。

在這種情況下，為了擴(kuò)大操作規(guī)模，科學(xué)家選擇了液態(tài)鈦前體，而不是先前在這些類型的反應(yīng)中使用的固態(tài)鈦箔。在將純LTO和摻氯LTO進(jìn)行水熱合成36小時(shí)后，他們進(jìn)行了額外的化學(xué)處理步驟以分離所需的材料。

該團(tuán)隊(duì)在布魯克黑文功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設(shè)施中使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行的成像研究表明，兩種樣品類型均具有“花狀”納米結(jié)構(gòu)的特征。該結(jié)果表明化學(xué)處理沒有破壞原始結(jié)構(gòu)。

Wong說：“我們新穎的合成方法有助于大規(guī)模生產(chǎn)這些3-D納米花的反應(yīng)更加迅速，均勻和有效。”“這種相對(duì)獨(dú)特的建筑具有較高的表面積，從中央核心徑向散布著花朵狀的”花瓣”。這種結(jié)構(gòu)為鋰離子進(jìn)入材料提供了多種途徑。

通過改變氯，鋰和前體的濃度；前體的純度；以及反應(yīng)時(shí)間，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了制備高結(jié)晶度納米花的最佳條件。

在CFN上，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)樣品與X射線和電子的相互作用方式進(jìn)行了一些表征實(shí)驗(yàn)：X射線衍射獲得結(jié)晶度信息和化學(xué)成分，SEM觀察形態(tài)（形狀），能量色散X射線光譜繪制元素分布圖，并使用X射線光電子能譜（XPS）確認(rèn)化學(xué)成分并得出化學(xué)氧化態(tài)。

“XPS數(shù)據(jù)是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈冏C明鈦（通常在LTO中以4+的形式存在，意味著已經(jīng)除去了四個(gè)電子）被還原為3+，”CFNInterfaceScience的研究人員XiaoTong表示。和催化小組。“這種化學(xué)狀態(tài)的變化非常重要，因?yàn)樵摬牧蠌慕^緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，從而提高了電導(dǎo)率和鋰離子遷移率。”

利用優(yōu)化的樣品，科學(xué)家們進(jìn)行了幾次電化學(xué)測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)，在30分鐘內(nèi)電池放電的高速率條件下，摻氯的LTO具有更大的可用容量。在超過100個(gè)充電/放電循環(huán)中保持了這一改進(jìn)。

“含氯的LTO不僅在開始時(shí)會(huì)更好，而且隨著時(shí)間的推移也會(huì)保持穩(wěn)定，”Marschilok說。

為了理解為什么會(huì)出現(xiàn)這種改善，研究小組轉(zhuǎn)向了計(jì)算理論，對(duì)氯摻雜引起的結(jié)構(gòu)和電子變化建模。

“在進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們需要了解觀察到的東西，才能了解材料的功能，并獲得有關(guān)如何改善材料性能的見解，”布魯克海文化學(xué)系的化學(xué)家劉平解釋說。。“理論是獲得這種機(jī)械理解的一種非常有效的方法，特別是對(duì)于LTO這樣的復(fù)雜材料。”

研究小組在計(jì)算使用氯摻雜的LTO時(shí)，在能量上最穩(wěn)定的幾何形狀中發(fā)現(xiàn)，氯更喜歡替代LTO結(jié)構(gòu)中的氧。

劉說：“這種替代將一個(gè)電子帶到系統(tǒng)中，導(dǎo)致電子重新分布。”“它導(dǎo)致與氯直接相互作用的鈦從4+減少到3+，與實(shí)驗(yàn)XPS結(jié)果一致。我們還進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，一旦用氯代替了氧氣，放電時(shí)LTO中就會(huì)插入更多的鋰。氯比氧氣大，因此它為鋰的運(yùn)輸提供了擴(kuò)大的通道。”

接下來，研究小組正在研究3-D納米花的微觀結(jié)構(gòu)如何影響運(yùn)輸。他們還正在探索陽極和陰極材料中的其他原子級(jí)替代物，這些替代物可能會(huì)改善運(yùn)輸。

“通過一種方法同時(shí)提高電子和離子電導(dǎo)率通常具有挑戰(zhàn)性，”Marschilok說。“但是，除了提高任何一種材料的性能之外，在m2M上，我們一直在考慮設(shè)計(jì)模型研究，這些研究可以向科學(xué)界展示綜合開發(fā)新電池材料的方法。材料合成，先進(jìn)的材料表征和計(jì)算理論的結(jié)合，以及StonyBrook和Brookhaven之間的合作，是m2M工作的優(yōu)勢(shì)。”