【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，化學(xué)化工學(xué)院楊立教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Enhanced specific energy in fast-charging lithium-ion batteries negative electrodes via Ti-O covalency-mediated low potential”的研究論文。該研究成果報(bào)道了一種調(diào)控鋰離子鈦基快充負(fù)極材料嵌鋰電位的方法，提出通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的TiO6八面體贗姜-泰勒效應(yīng)(Pseudo Jahn-Teller Effect, PJTE)畸變來(lái)增強(qiáng)Ti-O鍵的共價(jià)性，從而降低嵌鋰電位的策略。
 

　　隨著全球能源轉(zhuǎn)型的深入推進(jìn)，開發(fā)兼具高能量密度、超快充電能力與本質(zhì)安全性的鋰離子電池已成為迫切需求。負(fù)極材料是決定電池性能的關(guān)鍵，然而商用石墨負(fù)極的低工作電位(~0.1 V vs. Li+/Li)易引發(fā)鋰枝晶生長(zhǎng)，帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患；而高安全性的鈦基嵌入型快充負(fù)極(如鈦酸鋰Li4Ti5O12和鈦鈮氧TiNb2O7)又受限于其高嵌鋰電位(Li4Ti5O12: 1.55 V，TiNb2O7: 1.65 V)，導(dǎo)致全電池電壓較低(通常僅約2.3 V)，能量密度不足。因此，如何將負(fù)極材料的電位精準(zhǔn)調(diào)控至既安全(>0.1 V vs. Li?/Li以避免析鋰)又能實(shí)現(xiàn)高能量密度(<1.0 V以提升輸出電壓)的“理想窗口”(0.2-1.0 V)，是本領(lǐng)域的核心技術(shù)挑戰(zhàn)。
 

　　楊立教授團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)“配位場(chǎng)工程”增強(qiáng)Ti-O鍵共價(jià)性來(lái)系統(tǒng)降低鈦基負(fù)極嵌鋰電位，利用特定晶體結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)TiO6八面體產(chǎn)生贗姜-泰勒效應(yīng)(Pseudo Jahn-Teller Effect, PJTE)畸變，打破Ti-3d與O-2p軌道的正交性，增大其軌道重疊積分，從而增強(qiáng)Ti-O鍵共價(jià)成分。這會(huì)導(dǎo)致Ti4+/Ti3+氧化還原電對(duì)的反鍵軌道能級(jí)上移，使其更接近鋰的費(fèi)米能級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)嵌鋰電位的有效降低。
 

圖1 低電位快充負(fù)極材料設(shè)計(jì)思想和電位調(diào)控原理
 

圖2 低電位快充負(fù)極材料的電化學(xué)性能
 

　　采用具有本征PJTE晶格畸變的層狀Ruddlesden-Popper (R-P)鈦酸鑭鋰材料作為模型材料，實(shí)現(xiàn)其平均嵌鋰電位在~0.5 V的理想?yún)^(qū)間，與高鎳NCM811正極匹配的全電池工作電壓達(dá)3.45V。所制備的負(fù)極材料同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的快充性能(高倍率容量)和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了安全、快充與高能量密度的協(xié)同優(yōu)化。通過(guò)結(jié)構(gòu)解析(XRD/TEM)、電化學(xué)性能表征、電池測(cè)試到第一性原理計(jì)算和原位/非原位光譜學(xué)表征(XAS, XPS)的研究，清晰揭示了PJTE畸變-鍵合特性-嵌鋰電位之間的構(gòu)效關(guān)系，為設(shè)計(jì)新型電極材料提供了普適性的理論基礎(chǔ)。
 

　　上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院和物質(zhì)科學(xué)原位中心為第一完成單位。博士生黃俊為論文第一作者，楊立教授，張熠霄助理研究員，重慶大學(xué)楊小龍副教授和浙江大學(xué)陸俊教授為論文共同通訊作者。