“美国用掺杂氯的钛酸锂取代石墨阳极 制大容量的锂离子电池”

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锂离子电池的原理是充电时锂离子在正极(阴极)和负极(阳极)之间移动。 放电时，锂离子向相反方向移动。 目前，高端智能手机、笔记本电脑、电动汽车采用的锂离子电池普遍使用石墨阳极。 充电时锂离子插入石墨阳极； 使用电池时，锂离子会从电池中释放出来。

钛酸锂纳米花(图像来源:布鲁克海文国家研究所)

石墨可以承受数百次到数千次的充放电循环，但是不能在能源密集型应用中储存足够的容量。 例如，电动汽车的续航距离不够。 另外，石墨不能高速(输出)充放电。 因为这个原因，科学家们一直在寻找替代阳极材料。

钛酸锂( lto )是一种有快速发展前景的阳极材料，由锂、钛、氧构成。 lto除了能够高速充放电外，还具有良好的循环稳定性，并且能够在空之间容纳锂离子(容量大)。 但是，lto的导电性差，锂离子在该材料中的扩散速度慢。

据外国媒体报道，纽约大学州立大学石溪分校( stony brook university )材料科学与化学工程系兼职教师兼化学系副教授amy marschilok表示，“纯lto可用容量适中，但无法快速输电”。 amy marschilok还担任中央能源委员会副主任，以及美国能源部布鲁克海文国家实验室( brookhaven national laboratory )的跨学科能源 他还说:“高速电池材料对电动汽车、便携式电动工具、应急电源系统等需要在几分钟内迅速储存的应用非常有吸引力。”

marschilok还是布鲁克黑文国家实验室石溪分校小组的成员，该小组从2007年开始共同研究lto。 在最近的研究中，该小组通过掺杂工艺向lto中添加氯，使其容量提高了12%。

石溪分校化学系的优秀教授stanislaus wong也是学生研究小组的主要研究者，他说:“受控的掺杂过程可以改变材料的电子和结构特征。 在我的团队里，我对用化学知识指导设计的有利结构——特征的关联性很感兴趣。 lto中，加入掺杂原子后导电性提高，晶格扩大，锂离子的输送路径扩大。 科学家们已经测试了许多不同种类的掺杂剂，但很少研究过氯。 ”。

为了制造掺杂氯的lto，该小组使用了被称为水热合成的溶液法。 在水热合成过程中，科学家向水中加入含有相关前体(成为所需产品的反应材料)的溶液，将该混合物放入密闭容器中，在较适度的温度和压力下放置一会儿。 在这种情况下，为了扩大实验规模，科学家选择了液体钛前体，而不是用于这种反应的固体钛箔。 将纯lto和掺杂氯的lto通过水热合成解决36小时后，科学家使用了附加的化学解决程序来分离所需的材料。 该小组还在布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心( cfn )的电镜设施中进行了使用扫描电镜( sem )的成像研究，发现两个样品均具有“花的形状”的纳米结构，化学解决过程没有破坏材料原有的结构

wong说:“我们的新合成法可以促进更迅速、更统一、更有效的反应，从而大规模制造这样的3d纳米“花”。 这个独特的结构表面积很大，“花瓣”从中心向外辐射，这个结构为锂离子进入这个材料提供了很多路径。”

通过改变氯、锂、前体的浓度、前体的纯度和反应时间，科学家们找到了制备高晶体纳米材料的最佳条件。 科学家们用这样优化的样品进行了几次电化学测试，结果发现，电池高速放电30分钟时，掺杂氯的lto具有更大的可用容量，即使电池的充放电循环超过100次，该性能也得以维持。

为了理解为什么能改善性能，这个团队用计算理论对氯掺杂引起的结构和电子变化进行了模型化。 计算出掺杂氯的lto最稳定的几何结构，该团队发现氯喜欢代替lto结构中氧的位置。

接下来，该团队将研究3d纳米花的形状如何影响锂离子的传输。 另外，为了改善锂离子的输送，正在探索其他原子级阳极和阴极的替代材料。

来源：零点娱乐时刊