吉林大学物理学院杜菲教授团队在新型电极材料研发方面取得重要研究进展

日前，吉林大学物理学院杜菲教授团队在新型锂离子二次电池负极的设计与开发方面取得重要研究进展。相关研究成果以“Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries”为题，于2020年7月13日在线发表于《自然·通讯》。

2019年诺贝尔化学奖授予来自美国的科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。日本科学家吉野彰的主要贡献在于，采用碳基材料作为电池的负极与钴酸锂匹配，并通过系统设计，避免了电池的短路，提升了性能，推动了市场化发展，让我们享受到新技术革命给生活带来的便利。伴随着近年来电动汽车、规模储能等领域的开始发展，人们对于锂电池的能量与功率密度提出了更高的要求。这就使得石墨负极的缺点凸显出来。由于石墨的嵌锂电位接近锂的沉积电位，导致放电过程中易产生锂枝晶，导致电池短路，引起电池爆炸等安全隐患。此外，石墨材料有限的理论比容量（372 mAh/g）也极大的限制了动力锂离子电池的能量密度。因此，开发具有高功率、高容量、长寿命的锂电池负极材料成为了影响了下一代锂电池发展的关键科学问题。

近年来，杜菲教授研究团队针对钠(钾)离子电池研发过程中的瓶颈问题，开发了系列“钠的快离子导体型(NA SuperIonic CONductor)”材料，实现了容量与倍率性能的协同提升。在本项研究中，团队将该研究策略反哺于锂电池的研发中，提出通过设计“锂的快离子导体型结构”来提升负极材料的离子传输性能的研究方案，开发了一种新型钙钛矿结构材料La_0.5Li_0.5TiO₃。结合第一性原理计算结果，团队深入探讨了材料储锂性能、脱嵌过程中的结构与电子相变的构效关系，为设计低电压、高容量负极材料提供了新的思路。此外，值得指出的是La_0.5Li_0.5TiO₃材料具有优异的本征离子迁移率、电子传输特性与赝电容属性，这使得材料在不经过任何修饰的条件下就可以获得与商用纳米Li₄Ti₅O₁₂材料比肩的倍率性能。打破了只有通过纳米化和碳包覆才能提升性能的传统认知与桎梏，为La_0.5Li_0.5TiO₃材料的商业化推广奠定了坚实的基础。

物理学院2018级凝聚态物理专业博士研究生张璐与东北师范大学博士研究生张孝华、德国卡尔斯鲁厄工学院田桂英博士为本文的共同第一作者。通讯作者为东北师范大学杨国春教授、中科院物理研究所谷林研究员和吉林大学杜菲教授。卡尔斯鲁厄工学院的Helmut Ehrenberg 教授在原位同步辐射的测试方面也给予了支持。该工作工作得到了国家自然科学基金委面上项目、省科技厅自然科学和国际合作项目等基金的资助。

La_0.5Li_0.5TiO₃材料首次放电与充电过程中的结构相变过程

论文全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1