长寿命储能型锂电池关键材料储锂机制研究获新进展

先进材料 综合报道

锂离子电池已经广泛应用到社会生活的各个方面,给人们的生活带来便利。但锂离子电池中还存在一些基础科学问题不是很清楚,其中,进一步揭示储锂材料储锂机理对改善锂离子电池性能和探索新材料有着至关重要的作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01组胡勇胜研究员等通过氮掺杂的碳材料包覆长寿命储能型锂离子电池用尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12), 构建有效的三维混合导电网络,大大改善了该材料的倍率性能(Adv. Mater., 23: 1385-1388, 2011;Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 15127-15133, 2011;ChemSusChem, 5: 526-529, 2012.)。同时,李泓研究员、胡勇胜研究员与A01组谷林研究员合作,利用球差校正环形明场成像技术(STEM-ABF)并结合第一性原理计算,在原子尺度上研究了锂离子在储锂材料中的存储行为( Energy Environ. Sci., 2011, 4: 2638-2644;J. Am Chem. Soc., 2011, 133: 4661-4663; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 5363-5367.)。

最近,卢侠博士研究生、胡勇胜研究员与A01组谷林研究员应用该技术对充放电过程中钛酸锂的结构演变进行深入研究,取得了下列新进展:(i) 沿[110]方向清晰观察到了锂离子在钛酸锂中的储存位置;(ii) 首次在原子尺度观察到该材料的两相界面结构,从而证实了钛酸锂中的两相反应机理,这对于理解锂离子电池中两相反应机理有重要参考价值;(iii) 利用原子分辨的电子能量失谱(EELS)研究了锂化材料中的电荷分布问题,发现电荷的非均匀分布,和第一性原理计算结果一致;(iv) 观察到所有钛酸锂材料表面显示1-2纳米厚度的不同于体相的结构,这可能是导致该材料在实际应用时胀气的原因。相关成果发表在新一期的《先进材料》上(Adv. Mater., 2012, 24: 3233-3238.)。

上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、科学院知识创新工程能源项目群方向性项目、科学院百人计划、基金委能源项目群重点项目的支持。

图1. (a) 尖晶石Li4Ti5O12的晶格结构示意图,垂直方向为[110], 1, 2, 3和4 分别对应16d, 32e, 8a和16c晶格位置. (b) 和(c)为Li4Ti5O12的球差校正暗场和亮场照片. (d)衬度反转的线衬度示意图,沿AB方向,其上方为放大的局部照片和原子结构示意图。

图 2. 化学锂化的Li4+xTi5O12(x ≈ 0.15)两相界面结构示意图。(a)电镜亮场照片,黄线为两相界面,带轴为[110]。(b)和(c)分别对应a图中两个区域的线衬度示意图。(d)彩色的两相(Li4Ti5O12相 (region 1) and Li7Ti5O12相 (region 2) )界面示意图。(e)第一性原理计算模拟的两相界面示意图,在Li4相中8a Li位置保持不变,但是在Li7 相中16c位置的Li在界面附近发生了明显的偏移,和电镜结果一致。

图3. Ti-L2,3原子分辨的电子能量损失谱. (a)第一性原理计算显示的不同化学状态Ti的分布示意图。(b)彩色暗场锂化的Li4Ti5O12电镜照片。(c) Ti-L2,3原子分辨的电子能量损失谱,显示锂化后的样品中的电荷非均匀分布。

图4. 放大的Li4Ti5O12暗场和亮场电镜照片。可以明显看出表面显示1-2纳米厚度的不同于体相的结构,这可能是导致该材料在实际应用时胀气的原因。

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