9月20日，清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授研究組在《自然 通訊》（Nature Communications）上發(fā)表題為《一種鈦酸鋰水合物——用于快速充放電且穩(wěn)定循環(huán)的鋰離子電池》（Lithium Titanate Hydrates with Superfast and Stable Cycling in Lithium Ion Batteries）的研究成果。該成果針對鈦基儲能材料領(lǐng)域，報道了一系列鈦酸鋰水合物，應(yīng)用于超長循環(huán)壽命且高倍率性能的鋰離子電池，有效拓展了儲能材料的研究范圍，并提供了電極材料改性的新思路。

 

圖1. Li2O-TiO2-H2O三元相圖及鈦酸鋰水合物的合成路線圖

 

目前常用的鋰離子電池均采用有機電解液，其中所含的電解質(zhì)六氟磷酸鋰（LiPF6）是一種遇水易分解的物質(zhì)，因此傳統(tǒng)觀念中鋰離子電池的電極材料都是需要在高溫下煅燒來充分除水。但是這會使得材料發(fā)生顆粒團聚和晶粒粗化等難以避免的副反應(yīng)。而唐子龍教授研究團隊發(fā)現(xiàn)的鋰-氫-鈦-氧（Li-H-Ti-O）體系材料與目前國內(nèi)外報道的性能優(yōu)異的鋰-鈦-氧（Li-Ti-O）體系、鈦-氧（Ti-O）體系材料（包括納米化、摻雜和包覆之后的材料）相比，具有相當(dāng)甚至更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。作為含“水”的電極材料，這類鈦酸鋰水合物能夠在高電壓有機電解液體系中實現(xiàn)長達上萬次的穩(wěn)定循環(huán)，這打破了人們的傳統(tǒng)認知。在材料晶體內(nèi)部牢固結(jié)合的所謂“結(jié)晶水”，非但沒有破壞電極材料在有機電解液體系下的電化學(xué)性能，反而促進了晶體結(jié)構(gòu)的多樣性（如二維層狀）以及納米復(fù)合材料的構(gòu)筑，從本質(zhì)上提高了材料的離子擴散系數(shù)。

 

圖2. 鈦酸鋰水合物合成過程及材料快速嵌鋰/脫鋰過程的示意圖

 

運用鋰-氫-鈦-氧（Li-H-Ti-O）體系材料的改性新思路及其本質(zhì)性、普適性的特征規(guī)律，可以拓展該體系電極材料性能調(diào)整及優(yōu)化的自由度，還有望對其它含氫組分的過渡金屬化合物體系在能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供較大的啟發(fā)與指導(dǎo)依據(jù)。

 

圖3. 鈦酸鋰水合物前驅(qū)體在加熱脫水過程中的X射線衍射分析（a-b）以及電化學(xué)性能對比圖（c-d）