——鋰離子電池負極材料的改性?

序? 言

通常商用的鋰離子電池都選用碳來做負極材料。但是碳材料作為鋰離子電池負極材料，脫鋰嵌鋰電位比較低，容易引起金屬鋰的析出，且碳材料熱穩(wěn)定性較差，很容易發(fā)生安全事故,大大降低了鋰離子電池的安全性能。氧化鈦由于其良好的循環(huán)穩(wěn)定性及較安全的充放電電壓（1.5V），豐富的儲量以及無毒、對環(huán)境無污染等特性，是一種最有潛力替代碳材料的負極電池活性材料。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

金紅石型氧化鈦脫鋰嵌鋰模型圖

?如上圖，在很多金紅石氧化鈦脫鋰嵌鋰機理的研究中都提到了鋰離子在金紅石晶體內的擴散只有沿著[001]方向（上圖藍色區(qū)域）才能進行。而鋰離子在（110）晶面上（上圖紅色區(qū)域）只是以界面吸附的情況進行儲鋰的，這種在（110）晶面上的儲鋰只在表面淺層的鈦氧八面體上發(fā)生，而晶體體相內部是不具備嵌鋰脫鋰活性的，這也意味著微米級的金紅石型氧化鈦在作為鋰離子電池負極材料時具有很低的電池比容量，如何通過暴露更多的（001）面來提高金紅石的比容量是研發(fā)氧化鈦基負極電極材料首先要解決的問題。

?

1.? 金紅石型納米材料的生長機理

?

金紅石納米顆粒生長機理圖

如上圖所示，由于金紅石型晶體{110}晶面的表面能遠遠低于{001}晶面的表面能，因此金紅石納米晶體在沿不同晶向上的生長速度大不相同，且生長過程中為了保持晶體結構的穩(wěn)定，會選擇性的暴露更多的表面能更低的{110}系晶面。

根據這個原理只要我們在【Step1】步驟中加入合適的晶面生長抑制劑，降低晶體沿{001}晶面方向的生長速度，則可以暴露出更多的金紅石{001}晶面，同時也增加了納米晶體的孔隙率，為鋰離子電池的脫離嵌鋰提供更多的活性位點。

2. 不同生長速度的納米晶體的微觀結構表征

不同晶向上晶體生長速度快但不均勻（a）、速度慢（b）、快且均勻（c）的形貌及比表面積圖

?

由上圖【C】可以看到，當選擇合適的工藝及條件時，可以合成出暴露{001}晶面族更多的納米顆粒，且相對于另外兩種顆粒來說，它有更高的比表面積。

?

3.? 鋰電性能測試評價

?

不同晶向上晶體生長速度快但不均勻（a）、速度慢（b）、快且均勻（c）的電池性能測試

?

如上圖所示，同樣一種材料通過形貌調控后，鋰電池的比容量由90-100mAh/g升高到了220mAh/g，比容量提升了一倍還多。由此可見通過不同的材料合成工藝可以合成出性能千差萬別的材料出來。

?

? ? ? ??后記

?

隨著納米技術越來越貼近人們的日常生活，顯微形貌分析不再僅僅局限于對微觀材料形貌的觀察與模仿，在對材料的改性及生產過程管控中也起到了越來越重要的作用。為新材料、新產品的研發(fā)提供了強有力的技術支持。