圖1.由鈦酸鋰納米片(HLTO-NS)組裝分層微球的制備示意圖

與便攜式電子設(shè)備相比，電動汽車要求鋰離子電池具有更出色的倍率性能和長的循環(huán)壽命。研究者們發(fā)現(xiàn)了一種“零應變”材料Li4Ti5O12。Li4Ti5O12的充放電平臺在1.55V，從而有效防止了SEI膜的生成，極大地提高了鋰離子電池的安全性能，能夠很好的滿足電動汽車對電池的需求。

但是低電導率和鋰離子擴散系數(shù)制約了Li4Ti5O12的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的提高。為此，研究者們通過離子摻雜，表面包覆導電層以及制備多孔納米結(jié)構(gòu)等方法來解決這些問題。

近日，北京大學徐東升教授、李琦教授等人通過簡單的三步水熱法制備出了由超薄Li4Ti5O12納米片(HLTO-NS)組裝的分級結(jié)構(gòu)微球。該Li4Ti5O12微球表現(xiàn)出良好的電化學性能。

圖2.a)商業(yè)化的P25粒子的SEM圖，b)鈦酸鈉納米線的SEM圖，c)分層鈦酸鈉SEM圖，d)鈦酸氫鈉的SEM圖，e)和f)分層碳酸鋰的SEM圖，不同比例鈦酸鋰的XRD圖譜

圖3.a)HLTO-NS微球的TEM圖，b)HLTO-NS微球的HRTEM圖，c)單獨納米片的TEM圖，d)單獨納米片的HRTEM圖，d)中FFT插圖，HLTO-NS樣品的N2脫吸附等溫線和孔徑分布曲線

通過三步水熱法制備的HLTO-NS微球很好的防止了顆粒易團聚的缺點，海膽狀的微球尺徑分布在1-5μm之間，處理后的微球形貌也沒有發(fā)生明顯的改變。鋰和鈦的摩爾比是控制產(chǎn)品純凈度的重要因素：當Li:Ti=1.5時，可得到純凈的HLTO-NS微球。在1,2,5,10,15,20,50C的倍率下，放電容量分別為179,171,167,162,159,156,150mAh/g(理論比容量為175mAh/g)。

隨著電流密度的提高，HLTO-NS的比容量下降的非常緩慢。巨大的比表面積，使其比容量超過了Li4Ti5O12的理論值。在20C倍率下循環(huán)3000次后，HLTO-NS的比容量仍高達126mAh/g。

圖4.a)HLTO-NS的CV曲線，b)HLTO-NS在不同倍率下的初始充放電曲線，c)HLTO-NS的倍率性能，d)HLTO-NS在20C下經(jīng)過3000次循環(huán)的比容量和庫倫效率曲線

HLTO-NS微球作為鋰離子電池負極材料所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能歸功于以下幾點：

本文提出的超薄納米片平均厚度為6.6±0.25nm，Li+和電子可直接經(jīng)過表面納米片傳輸，縮短了傳輸距離;

分層結(jié)構(gòu)促進電解質(zhì)對電極的浸潤，提高了鋰離子從電解質(zhì)進入到納米片中的速率;

大尺寸的分層微球可以供應更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和集流體有更好的接觸，進而延長循環(huán)壽命。