科學家通過一種具有獨特花形納米結構的有前途的高速率電極材料，在許多充電和放電循環中提高了科學家的電池容量。

鈦酸鋰（鋰，鈦，氧）“納米花”的掃描電子顯微鏡圖像。圖片：BNL）

鋰離子電池的工作原理是，在充電過程中將鋰離子在正極（陰極）和負極（陽極）之間打亂，并在放電過程中沿相反的方向穿梭。我們的智能手機，筆記本電腦和電動汽車通常使用鋰離子電池，其負極由石墨（一種碳）制成。在為電池充電時，鋰會插入石墨中，而在使用電池時會被取出。

盡管石墨可以在數百個甚至數千個循環中可逆地充電和放電，但它可以存儲的鋰容量，不足以用于高能耗的應用。例如，電動汽車只能行駛那么遠，就需要充電。此外，石墨不能以很高的速率（功率）進行充電或放電。由于這些限制，科學家一直在尋找替代陽極材料。

一種有希望的陽極材料是鈦酸鋰（LTO），它包含鋰，鈦和氧。除了其高倍率性能外，LTO還具有良好的循環穩定性，并在其結構內保持空位以容納鋰離子。但是，LTO導電性差，鋰離子擴散到材料中的速度很慢。

“純LTO具有適度的可用容量，但可以快速提供動力，”化學系副教授，石溪大學材料科學與化學工程系兼職教員艾米·馬斯霍洛克（AmyMarschilok）表示，她還曾擔任美國中型運輸性質中心（m2M）副主任，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室跨學科科學部儲能部門經理和科學家。“高速率電池材料對于希望在幾分鐘內快速使用存儲的能量的應用具有吸引力，例如電動汽車，便攜式電動工具和應急電源系統。”

Marschilok是布魯克海文實驗室跨學科研究小組的成員，該小組于2014年開始合作進行LTO研究。在他們的最新研究中，他們通過稱為摻雜的過程添加氯，將LTO的能力提高了12％。

“受控摻雜可以改變材料的電子和結構特性，”石溪大學化學系杰出教授斯坦尼斯勞斯·王（StanislausWong）解釋說，他還是黃氏集團學生團隊的首席研究員。“在我的小組中，我們對開發和使用化學方法來指導有利的結構特性相關性感興趣。對于LTO，摻入摻雜劑原子可以提高電導率并擴展晶格，從而使鋰離子遷移的通道變寬。科學家已經測試了許多不同類型的摻雜劑，但是對氯的研究還不夠多。”

為了制造“氯摻雜”LTO，該團隊使用了一種稱為水熱合成的基于溶液的方法。在水熱合成中，科學家將一種溶液添加到水中，該溶液中含有相關的前體（能反應形成所需產物的物質），將混合物置于密封的容器中，并使其在相對適度的溫度和壓力下暴露一定的時間。

在這種情況下，為了擴大操作規模，科學家選擇了液態鈦前體，而不是先前在這些類型的反應中使用的固態鈦箔。在將純LTO和摻氯LTO進行水熱合成36小時后，他們進行了額外的化學處理步驟以分離所需的材料。

該團隊在布魯克黑文功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設施中使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行的成像研究表明，兩種樣品類型均具有“花狀”納米結構的特征。該結果表明化學處理沒有破壞原始結構。

Wong說：“我們新穎的合成方法有助于大規模生產這些3-D納米花的反應更加迅速，均勻和有效。”“這種相對獨特的建筑具有較高的表面積，從中央核心徑向散布著花朵狀的”花瓣”。這種結構為鋰離子進入材料提供了多種途徑。

通過改變氯，鋰和前體的濃度；前體的純度；以及反應時間，科學家們發現了制備高結晶度納米花的最佳條件。

在CFN上，該團隊根據樣品與X射線和電子的相互作用方式進行了一些表征實驗：X射線衍射獲得結晶度信息和化學成分，SEM觀察形態（形狀），能量色散X射線光譜繪制元素分布圖，并使用X射線光電子能譜（XPS）確認化學成分并得出化學氧化態。

“XPS數據是這項研究的關鍵，因為它們證明鈦（通常在LTO中以4+的形式存在，意味著已經除去了四個電子）被還原為3+，”CFNInterfaceScience的研究人員XiaoTong表示。和催化小組。“這種化學狀態的變化非常重要，因為該材料從絕緣體轉變為半導體，從而提高了電導率和鋰離子遷移率。”

利用優化的樣品，科學家們進行了幾次電化學測試。他們發現，在30分鐘內電池放電的高速率條件下，摻氯的LTO具有更大的可用容量。在超過100個充電/放電循環中保持了這一改進。

“含氯的LTO不僅在開始時會更好，而且隨著時間的推移也會保持穩定，”Marschilok說。

為了理解為什么會出現這種改善，研究小組轉向了計算理論，對氯摻雜引起的結構和電子變化建模。

“在進行基礎科學實驗時，我們需要了解觀察到的東西，才能了解材料的功能，并獲得有關如何改善材料性能的見解，”布魯克海文化學系的化學家劉平解釋說。。“理論是獲得這種機械理解的一種非常有效的方法，特別是對于LTO這樣的復雜材料。”

研究小組在計算使用氯摻雜的LTO時，在能量上最穩定的幾何形狀中發現，氯更喜歡替代LTO結構中的氧。

劉說：“這種替代將一個電子帶到系統中，導致電子重新分布。”“它導致與氯直接相互作用的鈦從4+減少到3+，與實驗XPS結果一致。我們還進行了計算，結果表明，一旦用氯代替了氧氣，放電時LTO中就會插入更多的鋰。氯比氧氣大，因此它為鋰的運輸提供了擴大的通道。”

接下來，研究小組正在研究3-D納米花的微觀結構如何影響運輸。他們還正在探索陽極和陰極材料中的其他原子級替代物，這些替代物可能會改善運輸。

“通過一種方法同時提高電子和離子電導率通常具有挑戰性，”Marschilok說。“但是，除了提高任何一種材料的性能之外，在m2M上，我們一直在考慮設計模型研究，這些研究可以向科學界展示綜合開發新電池材料的方法。材料合成，先進的材料表征和計算理論的結合，以及StonyBrook和Brookhaven之間的合作，是m2M工作的優勢。”