尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料與目前鋰離子電池中廣泛使用的碳負(fù)極材料相比，尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料在鋰離子嵌入、脫出過程中結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，具有較好的安全性和優(yōu)異的循環(huán)性能，是長壽命儲能型鋰離子電池的首選負(fù)極材料之一。但鈦酸鋰本身的導(dǎo)電性較差，高倍率性能不好。為了提高其儲鋰動力學(xué)，人們通常采用將其納米化并進(jìn)行碳包覆。但這樣一來，在其電極/電解質(zhì)界面上會形成與傳統(tǒng)的碳負(fù)極材料一樣的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），有可能帶來界面問題并影響安全性。課題組的研究人員，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。

　　他們通過調(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3）。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4）。在1C條件下，其比容量為178mAhg?1。即使在60C條件下，仍具有110mAhg?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。