第308批《道路车辆生产企业及产品公告》
05-27
锂离子电池已广泛应用于社会生活的方方面面，给人们的生活带来了便利。
然而，锂离子电池目前还存在一些基础科学问题还不是很清楚。
其中，进一步揭示储锂材料的储锂机理对于提高锂离子电池性能、探索新材料具有至关重要的作用。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）清洁能源实验室E01组胡勇胜研究员等利用氮掺杂碳材料包覆尖晶石结构钛酸盐用于长寿命储能锂离子电池。
锂（Li4Ti5O12），构建了有效的三维混合导电网络，大大提高了材料的倍率性能（Adv. Mater., 23: , ; Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 7-3, ; ChemSusChem , 5 : , .)。
与此同时，A01组的研究员李泓、研究员胡勇胜、研究员谷林利用球差校正环形明场成像技术（STEM-ABF）结合第一性原理计算，对锂存储材料中的锂离子进行了研究原子尺度。
存储行为（Energy Environ. Sci., , 4: ; J. Am Chem. Soc., , : ; Phys. Chem. Chem. Phys., , 14: .）。
近日，博士生路霞、胡勇胜研究员和A01组谷林研究员应用该技术对钛酸锂在充放电过程中的结构演变进行了深入研究，并取得了以下新进展： [ ]方向 钛酸锂中锂离子的储存位置； （ii）首次在原子尺度观察到该材料的两相界面结构，从而证实了钛酸锂中的两相反应机理，这对于理解锂离子电池中的两相具有重要意义。
反应机理具有重要参考价值； （iii）利用原子分辨电子能量损失谱（EELS）研究了锂化材料中的电荷分布问题，发现电荷的不均匀分布与第一原理计算结果一致； (iv)观察到所有钛酸锂材料的表面都表现出与厚度为1-2纳米的体相不同的结构，这可能是材料在实际应用中溶胀的原因。
相关结果发表在新一期的《先进材料》 (Adv. Mater., , 24: .)上。
上述工作得到科技部储能材料研究创新团队、科学院知识创新工程能源项目组定向项目、科学院百人计划的支持、国家自然基金委能源项目组重点项目。
图1. (a)尖晶石Li4Ti5O12晶格结构示意图，垂直方向为[]，1、2、3、4分别对应16d、32e、8a、16c晶格位置。
(b) 和 (c) 是 Li4Ti5O12 的球差校正暗场和明场照片。
(d)沿AB方向的对比度反转线对比图，上面是放大的局部照片和原子结构图。
图 2 化学锂化 Li4+xTi5O12 (x ≈ 0.15) 的两相界面结构示意图。
(a) 电子显微镜明场照片，黄线为两相界面，带轴为[]。
(b)和(c)分别对应图a中两个区域的线条对比图。
(d) 两相（Li4Ti5O12 相（区域 1）和 Li7Ti5O12 相（区域 2））之间界面的彩色示意图。
(e)第一性原理计算模拟的两相界面示意图。
在Li4相中，8a位Li位置保持不变，但在Li7相中，16c位置处的Li在界面附近发生了明显的偏移，这与电子显微镜结果一致。
图 3. Ti-L2,3 的原子分辨电子能量损失谱。
(a)第一性原理计算显示的Ti在不同化学状态下的分布示意图。
(b) 锂化 Li4Ti5O12 的彩色暗场电子显微镜照片。
(c) Ti-L2,3 的原子分辨电子能量损失谱，显示锂化样品中电荷的不均匀分布。
图 4.Li4Ti5O12 的放大暗场和明场电子显微镜图像。
可以清楚地看到，表面呈现出与厚度为1-2 nm的体相不同的结构，这可能是材料在实际应用中发生溶胀的原因。
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