今日Science：鈦酸鋰快速充電過程中離子遷移的動力學路徑

木文韜 3年前 (2020-02-28) 7307瀏覽

【引言】

在允許快速充放電的電池中，鋰通常與負極形成固溶體，因此唯一的限制因素是離子擴散。然而，對于鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）負極，鋰離子與兩相相互作用，且擴散速度較慢，但仍表現出高倍率性能。近年來，研究人員利用電子能量損失譜結合密度泛函理論計算來探測異常行為。他們發現在鋰離子的起始和結束成分Li₄Ti₅O₁₂和Li₇Ti₅O₁₂之間形成了一個擴散界面，這就是鋰離子快速遷移的原因。

【成果簡介】

今日，在美國布魯克海文國家實驗室王峰研究員和加州大學、勞倫斯伯克利國家實驗室Gerbrand Ceder教授團隊（共同通訊作者）帶領下，開發了一種基于離子液體電解質（ILE）的電化學電池，用于在TEM內原位操作，其結構類似于真實電池，從而使Li-EELS能夠在恒流充放電條件下探測Li在LTO中的占有和遷移。通過結合原位Li-EELS和第一性原理研究，確定了代表性的亞穩態Li_4+xTi₅O₁₂構型，該構型由反應前沿扭曲的Li多面體組成，提供了獨特的Li⁺離子遷移路徑，其活化能遠低于末端的活化能，并主導了LTO中Li⁺離子遷移的動力學。這一發現為尋找高倍率電極材料提供了新的機遇。相關成果以題為“Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate”發表在了Science。