今日Science：钛酸锂快速充电过程中离子迁移的动力学路径

【引言】

在允许快速充放电的电池中，锂通常与负极形成固溶体，因此唯一的限制因素是离子扩散。然而，对于钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）负极，锂离子与两相相互作用，且扩散速度较慢，但仍表现出高倍率性能。近年来，研究人员利用电子能量损失谱结合密度泛函理论计算来探测异常行为。他们发现在锂离子的起始和结束成分Li₄Ti₅O₁₂和Li₇Ti₅O₁₂之间形成了一个扩散界面，这就是锂离子快速迁移的原因。

【成果简介】

今日，在美国布鲁克海文国家实验室王峰研究员和加州大学、劳伦斯伯克利国家实验室Gerbrand Ceder教授团队（共同通讯作者）带领下，开发了一种基于离子液体电解质（ILE）的电化学电池，用于在TEM内原位操作，其结构类似于真实电池，从而使Li-EELS能够在恒流充放电条件下探测Li在LTO中的占有和迁移。通过结合原位Li-EELS和第一性原理研究，确定了代表性的亚稳态Li_4+xTi₅O₁₂构型，该构型由反应前沿扭曲的Li多面体组成，提供了独特的Li⁺离子迁移路径，其活化能远低于末端的活化能，并主导了LTO中Li⁺离子迁移的动力学。这一发现为寻找高倍率电极材料提供了新的机遇。相关成果以题为“Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate”发表在了Science。

【图文导读】

图1 用于在TEM中对电池材料进行原位表征的电化学功能电池的设计

图2 利用现场原位Li-EELS实时探测LTO中Li⁺离子的传输

图3 通过DFT计算识别Li_4+xTi₅O₁₂（0≤x≤3）中锂多面体构型的Li-EELS光谱

图4 锂离子迁移途径及其在中间产物中的能量势垒

文献链接：Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate（Science，2020，DOI:10.1126/science.aax3520）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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