清華材料學院唐子龍研究組在超長壽命高倍率鋰離子電池材料方面...

2020-12-12 清華大學新聞網

清華材料學院唐子龍研究組在超長壽命高倍率鋰離子電池材料方面取得突破

清華新聞網9月21日電 9月20日，清華大學材料學院唐子龍教授研究組在《自然 通訊》（Nature Communications）上發表題為《一種鈦酸鋰水合物——用於快速充放電且穩定循環的鋰離子電池》（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域，報導了一系列鈦酸鋰水合物，應用於超長循環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範圍，並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採用有機電解液，其中所含的電解質六氟磷酸鋰（LiPF6）是一種遇水易分解的物質，因此傳統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生顆粒團聚和晶粒粗化等難以避免的副反應。而唐子龍教授研究團隊發現的鋰-氫-鈦-氧（Li-H-Ti-O）體系材料與目前國內外報導的性能優異的鋰-鈦-氧（Li-Ti-O）體系、鈦-氧（Ti-O）體系材料（包括納米化、摻雜和包覆之後的材料）相比，具有相當甚至更加優異的電化學性能。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長達上萬次的穩定循環，這打破了人們的傳統認知。在材料晶體內部牢固結合的所謂「結晶水」，非但沒有破壞電極材料在有機電解液體系下的電化學性能，反而促進了晶體結構的多樣性（如二維層狀）以及納米複合材料的構築，從本質上提高了材料的離子擴散係數。

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性、普適性的特徵規律，可以拓展該體系電極材料性能調整及優化的自由度，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域的應用提供較大的啟發與指導依據。

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

論文的通訊作者為清華大學材料學院唐子龍教授、美國阿貢國家實驗室的陸俊研究員和美國麻省理工學院的李巨教授，第一作者是清華大學材料學院2012級博士生王詩童。該研究得到了國家自然科學基金、美國國家科學基金以及美國能源部等項目的資助。

論文連結：

http://www.nature.com/articles/s41467-017-00574-9

供稿：材料學院 編輯：華山

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