【中國汽車材料網】由美國能源部布魯克海文國家實驗室（U.S. DePArtment of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory）和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）領導的一組科學家實時捕獲了鋰離子如何在鈦酸鋰（LTO）中移動軌跡，鈦酸鋰是一種含有鋰、鈦的快速充電電池的電極材料。他們發現，LTO中的鋰和周圍原子的扭曲排列是“中間構型”（LTO的鋰濃度介於其初始狀態和終止狀態之間的結構）為鋰離子的運輸提供了“通道”。他們的發現發表在2月28日的《科學》雜誌上可以為設計改進的電池材料提供見解，以便為電動汽車和便攜式消費類電子產品快速充電。
布魯克海文實驗室材料科學家Feng Wang說：“考慮到只需要花幾分鐘就可以充滿汽車的油箱，而要花幾個小時就可以給電動汽車的電池充電。”，“弄清楚如何使鋰離子在電極材料中更快地移動非常重要，因為它可以幫助我們製造更好的電池，並大大減少充電時間。”
鋰離子電池的工作原理是通過一種稱為電解質的化學介質在正極和負極（陰極和陽極）之間傳遞鋰離子。在最先進的鋰離子電池中，石墨通常用作陽極，但對於快速充電應用，LTO是一種非常有前景的選擇。LTO可以快速容納鋰離子，而不會遭受鋰電鍍（鋰在電極表面而非內部沉積的情況）的影響。
在這項研究中，科學家們通過設計在透射電子顯微鏡（TEM）內運行的電化學電池，能夠實時跟蹤LTO納米粒子中鋰離子的遷移。該電化學電池使團隊能夠在電池充電和放電期間製作電子能量損失譜（EELS）。在EELS中，測量電子與樣品相互作用後電子的能量變化，以揭示有關樣品局部化學狀態的信息。除了對鋰離子高度敏感外，EELS在TEM內執行時，還提供了捕獲納米顆粒中離子遷移所需的空間和時間。
隨著充電和放電的進行，所得的EELS光譜包含有關LTO不同狀態下鋰的佔有率和局部環境的信息。為了解密信息，科學家們對光譜進行了模擬。在這些模擬的基礎上，他們從數千種可能性中確定了原子的排列。為了確定局部結構對離子遷移的影響，CEDER研究小組使用基於量子力學的方法計算了LTO中鋰離子遷移的能壘。
研究小組的分析表明，LTO具有亞穩態的中間構型，鋰離子在LTO的中間構型中迅速沿著“易通過的途徑”移動。想象一下LTO晶格是鋰離子必須繞過的賽車障礙路線。在其原始階段（Li4Ti5O12）及其最終階段轉變為容納鋰離子（Li7Ti5O12），LTO具有原子構型，阻礙了許多障礙。因此，鋰離子必須緩慢穿過障礙物路線。但是在LTO的中間構型中（Li5 + xTi5O12），圍繞鋰的原子排列的局部變形會沿著這兩個相的邊界發生。這些變形略微將障礙物推開，從而為鋰離子加速提供了“快速通道”。
Wang解釋說：“與自由流入汽車油箱的氣體不同，後者實際上是一個空容器，鋰需要“拼搏”進入LTO，LTO並非完全開放的結構。“為了吸收鋰，LTO從一種結構轉變為另一種結構。通常，這種兩相轉變需要時間，從而限制了快速充電能力。但是，在這種情況下，鋰的容納速度比預期的要快，因為鋰的局部變形LTO的原子結構創造了更多的開放空間，鋰可以輕鬆地通過這些空間。這些高度導電的路徑發生在兩相之間存在的大量邊界處。”
接下來，科學家將探索LTO在實際應用中的侷限性，例如熱量產生和高速率循環帶來的容量損失。他們希望通過研究LTO在不同的循環速率下反覆吸收和釋放鋰後的表現，希望找到解決這些問題的方法。這些知識將有助於開發用於快速充電電池的實用電極材料。
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