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　　科学家研发新方案提高锂电池电池容量

　　科学家通过一种具有独特花形纳米结构的有前途的高速率电极材料，在许多充电和放电循环中提高了科学家的电池容量。

　　钛酸锂(锂，钛，氧)“纳米花”的扫描电子显微镜图像。图片：BNL)

　　锂离子电池的工作原理是，在充电过程中将锂离子在正极(阴极)和负极(阳极)之间打乱，并在放电过程中沿相反的方向穿梭。我们的智能手机，笔记本电脑和电动汽车通常使用锂离子电池，其负极由石墨(一种碳)制成。在为电池充电时，锂会插入石墨中，而在使用电池时会被取出。

　　尽管石墨可以在数百个甚至数千个循环中可逆地充电和放电，但它可以存储的锂容量，不足以用于高能耗的应用。例如，电动汽车只能行驶那么远，就需要充电。此外，石墨不能以很高的速率(功率)进行充电或放电。由于这些限制，科学家一直在寻找替代阳极材料。

　　一种有希望的阳极材料是钛酸锂(LTO)，它包含锂，钛和氧。除了其高倍率性能外，LTO还具有良好的循环稳定性，并在其结构内保持空位以容纳锂离子。但是，LTO导电性差，锂离子扩散到材料中的速度很慢。

　　该团队在布鲁克黑文功能纳米材料中心(CFN)的电子显微镜设施中使用扫描电子显微镜(SEM)进行的成像研究表明，两种样品类型均具有“花状”纳米结构的特征。该结果表明化学处理没有破坏原始结构。

　　Wong说：“我们新颖的合成方法有助于大规模生产这些3-D纳米花的反应更加迅速，均匀和有效。”“这种相对独特的建筑具有较高的表面积，从中央核心径向散布着花朵状的”花瓣”。这种结构为锂离子进入材料提供了多种途径。

　　通过改变氯，锂和前体的浓度;前体的纯度;以及反应时间，科学家们发现了制备高结晶度纳米花的最佳条件。

　　在CFN上，该团队根据样品与X射线和电子的相互作用方式进行了一些表征实验：X射线衍射获得结晶度信息和化学成分，SEM观察形态(形状)，能量色散X射线光谱绘制元素分布图，并使用X射线光电子能谱(XPS)确认化学成分并得出化学氧化态。

　　“XPS数据是这项研究的关键，因为它们证明钛(通常在LTO中以4+的形式存在，意味着已经除去了四个电子)被还原为3+，”CFNInterfaceScience的研究人员XiaoTong表示。和催化小组。“这种化学状态的变化非常重要，因为该材料从绝缘体转变为半导体，从而提高了电导率和锂离子迁移率。”

　　利用优化的样品，科学家们进行了几次电化学测试。他们发现，在30分钟内电池放电的高速率条件下，掺氯的LTO具有更大的可用容量。在超过100个充电/放电循环中保持了这一改进。

　　“含氯的LTO不仅在开始时会更好，而且随着时间的推移也会保持稳定，”Marschilok说。

　　为了理解为什么会出现这种改善，研究小组转向了计算理论，对氯掺杂引起的结构和电子变化建模。

　　“在进行基础科学实验时，我们需要了解观察到的东西，才能了解材料的功能，并获得有关如何改善材料性能的见解，”布鲁克海文化学系的化学家刘平解释说。。“理论是获得这种机械理解的一种非常有效的方法，特别是对于LTO这样的复杂材料。”

　　研究小组在计算使用氯掺杂的LTO时，在能量上最稳定的几何形状中发现，氯更喜欢替代LTO结构中的氧。

　　刘说：“这种替代将一个电子带到系统中，导致电子重新分布。”“它导致与氯直接相互作用的钛从4+减少到3+，与实验XPS结果一致。我们还进行了计算，结果表明，一旦用氯代替了氧气，放电时LTO中就会插入更多的锂。氯比氧气大，因此它为锂的运输提供了扩大的通道。”

　　接下来，研究小组正在研究3-D纳米花的微观结构如何影响运输。他们还正在探索阳极和阴极材料中的其他原子级替代物，这些替代物可能会改善运输。

　　“通过一种方法同时提高电子和离子电导率通常具有挑战性，”Marschilok说。“但是，除了提高任何一种材料的性能之外，在m2M上，我们一直在考虑设计模型研究，这些研究可以向科学界展示综合开发新电池材料的方法。材料合成，先进的材料表征和计算理论的结合，以及StonyBrook和Brookhaven之间的合作，是m2M工作的优势。”