中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）清潔能源實(shí)驗(yàn)室胡勇勝研究員等通過氮摻雜的碳材料包覆長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能型鋰離子電池用尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（Li4Ti5O12），構(gòu)建有效的三維混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，大大改善了該材料的倍率性能（Adv. Mater., 23: 1385-1388, 2011；Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 15127-15133, 2011；ChemSusChem, 5: 526-529, 2012）。同時(shí)，李泓研究員、胡勇勝研究員與谷林研究員合作，利用球差校正環(huán)形明場(chǎng)成像技術(shù)（STEM-ABF）并結(jié)合第一性原理計(jì)算，在原子尺度上研究了鋰離子在儲(chǔ)鋰材料中的存儲(chǔ)行為（Energy Environ. Sci., 2011, 4: 2638-2644；J. Am Chem. Soc., 2011, 133: 4661-4663; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 5363-5367）。
最近，博士研究生盧俠、胡勇勝研究員與谷林研究員應(yīng)用該技術(shù)對(duì)充放電過程中鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行深入研究，取得了下列新進(jìn)展：(1) 沿[110]方向清晰觀察到了鋰離子在鈦酸鋰中的儲(chǔ)存位置；(2) 首次在原子尺度觀察到該材料的兩相界面結(jié)構(gòu)，從而證實(shí)了鈦酸鋰中的兩相反應(yīng)機(jī)理，這對(duì)于理解鋰離子電池中兩相反應(yīng)機(jī)理有重要參考價(jià)值；(3) 利用原子分辨的電子能量失譜（EELS）研究了鋰化材料中的電荷分布問題，發(fā)現(xiàn)電荷的非均勻分布，和第一性原理計(jì)算結(jié)果一致；(4) 觀察到所有鈦酸鋰材料表面顯示1-2納米厚度的不同于體相的結(jié)構(gòu)，這可能是導(dǎo)致該材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)脹氣的原因。
相關(guān)成果發(fā)表在新一期的《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater., 2012, 24: 3233-3238），《科學(xué)》（Science）雜志對(duì)此也作了報(bào)道(鏈接)。
上述工作得到了科技部?jī)?chǔ)能材料研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程能源項(xiàng)目群方向性項(xiàng)目、中科院百人計(jì)劃和基金委能源項(xiàng)目群重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
圖1. (a) 尖晶石Li4Ti5O12的晶格結(jié)構(gòu)示意圖，垂直方向?yàn)閇110]，1, 2, 3和4分別對(duì)應(yīng)16d, 32e, 8a和16c晶格位置；(b)和(c)為L(zhǎng)i4Ti5O12的球差校正暗場(chǎng)和亮場(chǎng)照片；(d)襯度反轉(zhuǎn)的線襯度示意圖，沿AB方向，其上方為放大的局部照片和原子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2. 化學(xué)鋰化的Li4+xTi5O12(x 0.15)兩相界面結(jié)構(gòu)示意圖。(a)電鏡亮場(chǎng)照片，黃線為兩相界面，帶軸為[110]。(b)和(c)分別對(duì)應(yīng)a圖中兩個(gè)區(qū)域的線襯度示意圖。(d)彩色的兩相（Li4Ti5O12相 (region 1) and Li7Ti5O12相 (region 2) )界面示意圖。(e)第一性原理計(jì)算模擬的兩相界面示意圖，在Li4相中8a Li位置保持不變，但是在Li7 相中16c位置的Li在界面附近發(fā)生了明顯的偏移，和電鏡結(jié)果一致。
圖3. Ti-L2,3原子分辨的電子能量損失譜。(a)第一性原理計(jì)算顯示的不同化學(xué)狀態(tài)Ti的分布示意圖。(b)彩色暗場(chǎng)鋰化的Li4Ti5O12電鏡照片。(c) Ti-L2,3原子分辨的電子能量損失譜，顯示鋰化后的樣品中的電荷非均勻分布。
圖4. 放大的Li4Ti5O12暗場(chǎng)和亮場(chǎng)電鏡照片?？梢悦黠@看出表面顯示1-2納米厚度的不同于體相的結(jié)構(gòu)，這可能是導(dǎo)致該材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)脹氣的原因。
