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

《盖世汽车报》报道的锂离子电池的工作原理是，在充电过程中，锂离子在正极和负极之间移动；在放电过程中，锂离子向相反的方向移动。如今，智能手机、使用电池时，锂离子会从电池中排出。

尽管石墨可以承受数百甚至数千次充放电循环，但钛酸锂纳米花无法为能源密集型应用存储足够的容量。例如，电动汽车的续航里程不够长。此外，石墨不能以高速率充电和放电。因此，科学家们一直在寻找替代阳极材料。钛酸锂是一种很有前途的由锂、钛和氧组成的阳极材料。LTO除了能够高速充电和放电外，还具有良好的循环稳定性和足够的空间来容纳锂离子。然而，LTO的导电性较差，这可能导致锂离子在材料中的扩散速率缓慢。据外媒报道，纽约州立大学石溪分校材料科学与化学工程系兼职教员、副教授Amy Marschilok表示：“纯LTO的可用容量适中，但无法快速传输电力。”艾米·马希洛克（Amy Marschilok）还曾担任中尺度运输财产中心（Center for Mesoscale Transport Properties）副主任，以及美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory of the United States department of energy）跨学科部门储能部门的经理和科学家。她还表示，“高速电池材料对于电动汽车、，便携式电动工具和需要在几分钟内快速储能的应急电力系统。“Marschilok也是布鲁克海文国家实验室石溪团队的成员，该团队自2014年以来一直在合作LTO研究。在最近的研究中，该团队通过掺杂工艺将氯添加到LTO中，从而将其容量提高了12%。石溪大学化学系杰出教授Stanislaus Wong也是学生研究团队的关键研究员。他说， “受控掺杂过程可以改变材料的电子和结构财产。在我的团队中，我们感兴趣的是利用化学知识指导设计良好的结构-性能相关性。对于LTO，添加掺杂原子可以提高其电导率，扩大其晶格，并拓宽锂离子传输通道。科学家已经测试了许多不同类型的掺杂剂，但对氯的研究不多。为了制造掺有氯的LTO，该团队使用了一种称为水热合成的溶液方法。在水热合成过程中，科学家将含有相关前体的溶液加入水中，将混合物放入密封容器中，并在相对温和的温度和压力下放置一段时间。在这种情况下，为了扩大实验规模，科学家们选择了液态钛前驱体，而不是之前反应中使用的固态钛箔。在纯LTO和氯掺杂LTO的水热合成36小时后，科学家们使用了额外的化学处理步骤来分离所需的材料。该团队还在布鲁克黑文国家实验室功能纳米材料中心的电子显微镜设施使用扫描电子显微镜进行了成像研究，发现两个样品都具有“花形”纳米结构，表明化学处理过程没有破坏材料的原始结构。Wong说， “我们的新合成方法促进了更快、更统一、更高效的反应，允许大规模生产这种3D纳米‘花’。这种独特的结构具有大的表面积，‘花瓣’从中心向外辐射，为锂离子进入材料提供了多种途径。通过改变氯、锂和前体的浓度前体和反应时间，科学家们已经找到了制造高晶体纳米材料的最佳条件。科学家们使用这种优化的样品进行了几次电化学测试，发现当电池以高速率放电30分钟时，氯掺杂的LTO具有更大的可用容量，并且在100多次电池充电和放电循环后仍能保持这种性能。为了理解为什么可以提高性能，该团队使用计算理论对氯掺杂引起的结构和电子变化进行了建模。在计算氯掺杂LTO最稳定的几何结构时，该团队发现氯更倾向于取代氧在LTO结构中的位置。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。此外，他们还在探索原子级阳极和阴极的替代材料，以改善锂离子的传输。

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