最近，北京高壓科學研究中心和中國科學院地球化學研究所、北京物理研究所等多個單位合作，結合原位高壓實驗研究和第一性原理計算的方法，對鈦酸鋰在高壓下的結構穩定性和電導率等性質進行了細致的研究，發現高壓下非晶態鈦酸鋰擁有更高的離子電導率，很可能成為一種潛在的優秀鋰離子電池材料，為開發更多較高離子電導率的鋰離子電池材料提供了一條新的途徑。
可充放電電池，已經成為信息時代不可或缺的日常用品之一。它的廣泛應用成功解放了許多原本不能移動的用電設備和儀器，促進了電子、信息、運輸等諸多產業的飛速發展。雖然鋰電池已經開始被應用于電動汽車，但是目前最先進的鋰電池的儲能密度尚不足汽油燃料能量密度的五分之一。因此，發展具有更優性能的電池材料迫在眉睫。
尖晶石型鈦酸鋰(Li4Ti5O12，LTO)被稱為“零應變”鋰電池材料，其結構很穩定，在鋰離子嵌入和脫出過程中其晶胞體積幾乎不變。較高的晶體結構穩定性使它具有優良的循環性能和穩定的放電電壓。除此之外，它還具有較高的電極電壓和較快的充放電速度等優點。這些優勢使鈦酸鋰成為重要的鋰離子電池材料。然而美中不足，鈦酸鋰的電導率很低，束縛了其在高功率電池需求中的應用。為了提高其電導率，科學家們做了大量的研究和探索，但效果并不顯著。
壓力，作為重要的熱力學參數，可以改變物質的原子間距，并引發一系列材料結構與性質的變化。很多常溫常壓下穩定的材料，在高壓下都會發生壓致相變，從而產生一種或多種新型化合物，可見壓力為新材料的探索提供了一個新的維度。因此，高壓下探索和合成新型材料已經成為一個重要的研究方向。然而，對于鋰離子電池材料，壓力通常會限制鋰離子在晶格中的遷移和擴散，導致較低的鋰離子電導率，阻礙了其在鋰離子電池中的應用。
最近，北京高壓科學研究中心王霖課題組和中國科學院地球化學研究所、北京物理研究所等多個單位合作，結合原位高壓實驗研究和第一性原理計算的方法，對鈦酸鋰在高壓下的結構穩定性和電導率等性質進行了細致的研究。相關研究結果以“Li-ion battery material under high pressure: amorphization and enhanced conductivity of Li4Ti5O12”為題在線發表于《國家科學評論》(Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy122)。
在該項研究中，作者利用金剛石對頂砧高壓原位測量技術，對鈦酸鋰在高壓下的結構相變和電導率進行了表征，發現鈦酸鋰在高壓下結構并不穩定，會發生畸變;當壓力達到270,000大氣壓時，由于晶格畸變過于嚴重，會發生不可逆的非晶相變。卸壓過程中發現，該非晶相的鈦酸鋰可以保留至常壓。原位電導率測量發現，該非晶化鈦酸鋰在高壓下和常壓下都有更高的電導率。
在壓力加載和卸載過程中，鈦酸鋰的電阻以及晶體結構隨壓力的變化情況
利用第一性原理計算，該團隊對鈦酸鋰在高壓下的相變以及電導率變化機理進行了深入研究。計算結果表明，高壓下鈦酸鋰晶格中的兩種組成單元LiO6和TiO6八面體的壓縮率差別很大;LiO6的壓縮率不足TiO6的四分之一。這導致了鈦酸鋰在高壓下的不穩定，從而晶格發生畸變。隨著壓力升高，畸變越嚴重，在約270,000大氣壓時導致了非晶化。該非晶化的鈦酸鋰為鋰離子的遷移提供了更多的空位，因而即使在室溫下也具有較高的鋰離子電導率。
該研究結果增進了我們對高壓下鈦酸鋰結構性能和導電性能的理解。由于擁有更高的離子電導率，非晶態鈦酸鋰很可能成為一種潛在的優秀鋰離子電池材料。更重要的是，本研究表明，壓力作用可以提高材料的離子電導率，從而為開發更多較高離子電導率的鋰離子電池材料提供了一條新的途徑。
文章信息：
Li-ion battery material under high pressure: amorphization and enhanced conductivity of Li4Ti5O12
Yanwei Huang, Yu He, Howard Sheng, Xia Lu, Haini Dong, Fengjiao Chen, Sudeshna Samanta, Hongliang Dong, Xifeng Li, Duck Young Kim, Ho-kwang Mao, Yuzi Liu, Heping Li, Hong Li and Lin Wang
Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy122
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