導(dǎo)讀：本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、暴露特定晶面、TiO2和炭層同時(shí)包覆改性，大大提高了Li2TiSiO5（LTSO）材料的電化學(xué)性能。通過原位XRD和第一性原理計(jì)算作者還對反應(yīng)的具體過程進(jìn)行了分析表征，為后續(xù)LTSO材料的研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用提供了參考和指導(dǎo)。

鈦基材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)具有體積膨脹很小、循環(huán)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為有望代替石墨成為下一代鋰電池的負(fù)極材料。但它一直存在放電平臺電壓過高和理論容量較低兩大問題，嚴(yán)重的制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。 近日，北京工業(yè)大學(xué)的尉海軍教授及其團(tuán)隊(duì)選擇放電平臺較低的LTSO材料為對象，并通過炭材料和TiO2同時(shí)選擇性修飾，成功提高了LTSO材料的穩(wěn)定性。

此外，作者還對反應(yīng)中材料的結(jié)構(gòu)可逆性和鋰離子擴(kuò)散模式進(jìn)行了表征分析，為后續(xù)人們理解并繼續(xù)改性LTSO材料提供了寶貴參考。相關(guān)論文以題為“TiO2 Nanocrystal-Framed Li2TiSiO5 Platelets for Low-Voltage Lithium Battery Anode”在Advanced Functional Materials上發(fā)表。

隨著人們對鋰離子電池的要求提升，各種新型負(fù)極材料相繼被報(bào)道。但是這些新體系均存在著自身缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步對材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性；對多個(gè)性能進(jìn)行平衡。其中，鈦基氧化物材料已經(jīng)被大量報(bào)導(dǎo)并應(yīng)用與鋰離子電池負(fù)極。但商用的Li4Ti5O12材料雖然穩(wěn)定且安全性高，但容量太低、放電電壓過高，很明顯無法躋身成為下一代負(fù)極材料候選人。而LTSO材料的可逆容量高達(dá)240 mAh g-1，放電電壓約為0.5 V，這相較于Li4Ti5O12或者石墨負(fù)極各方面平衡性更為理想，如何對LTOS進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化因此也成為了儲能領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

本文作者針對上述問題，提出了一種穩(wěn)定的開放（001）晶面的LTSO材料制備方法。并通過兩步水熱法，在LTSO晶體上原位包裹TiO2和炭材料，形成類似“相框”的結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試結(jié)果表明，通過引入TiO2，大大提高了LTSO的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。所制備的樣品在比容量可超過300 mA h g-1，并且即使在1000次循環(huán)后比容量保持率約為66%。優(yōu)異的電化學(xué)性能主要得益于TiO2本身就可以儲鋰，并可以加快Li+的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移、增加材料的贗電容儲鋰效應(yīng)。通過原位的XRD和非原位透射電鏡發(fā)現(xiàn)電極在循環(huán)過程中基本不發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)改變，顯示出極佳的穩(wěn)定性。

此外，DFT計(jì)算也證明了樣品晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選擇性暴露特定晶面對電化學(xué)性能的重要作用。 總的來說，作者利用簡單的合成方法，制備了選擇性的暴露LTSO材料的特定晶面、具有TiO2和炭層的獨(dú)特負(fù)極材料，協(xié)同提高了材料的整體容量和循環(huán)穩(wěn)定性。并通過原位XRD和第一性原理計(jì)算等多重手段對造成良好電化學(xué)性能的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析證明。該結(jié)果大大提高了LTSO商業(yè)應(yīng)用的可能性，并為后續(xù)鈦基電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。（文：Today）

圖1 (a) 不同負(fù)極材料的容量和放電電位示意圖；(b) 三種電極材料的充放電曲線；(c) LTSO的XRD圖和結(jié)構(gòu)模型。

圖2 (a)-(c) LTSO單晶的透射圖；(d)-(m) T@L5(700) 的透射圖片和各元素隨邊緣到中心得分布變化圖。

圖3不同水熱時(shí)間和煅燒溫度下的晶體結(jié)構(gòu)變化和相變化分析。

圖4電化學(xué)性能測試結(jié)果。

圖5 原位XRD測試和第一性原理計(jì)算結(jié)果。

審核編輯：劉清