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。
“纯LTO具有适度的可用容量，但可以快速提供动力，”化学系副教授，石溪大学材料科学与化学工程系兼职教员艾米·马斯霍洛克（AmyMarschilok）表示，她还曾担任美国中型运输性质中心（m2M）副主任，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室跨学科科学部储能部门经理和科学家。“高速率电池材料对于希望在几分钟内快速使用存储的能量的应用具有吸引力，例如电动汽车，便携式电动工具和应急电源系统。”
Marschilok是布鲁克海文实验室跨学科研究小组的成员，该小组于2014年开始合作进行LTO研究。在他们的最新研究中，他们通过称为掺杂的过程添加氯，将LTO的能力提高了12％。
“受控掺杂可以改变材料的电子和结构特性，”石溪大学化学系杰出教授斯坦尼斯劳斯·王（StanislausWong）解释说，他还是黄氏集团学生团队的首席研究员。“在我的小组中，我们对开发和使用化学方法来指导有利的结构特性相关性感兴趣。对于LTO，掺入掺杂剂原子可以提高电导率并扩展晶格，从而使锂离子迁移的通道变宽。科学家已经测试了许多不同类型的掺杂剂，但是对氯的研究还不够多。”
为了制造“氯掺杂”LTO，该团队使用了一种称为水热合成的基于溶液的方法。在水热合成中，科学家将一种溶液添加到水中，该溶液中含有相关的前体（能反应形成所需产物的物质），将混合物置于密封的容器中，并使其在相对适度的温度和压力下暴露一定的时间。
在这种情况下，为了扩大操作规模，科学家选择了液态钛前体，而不是先前在这些类型的反应中使用的固态钛箔。在将纯LTO和掺氯LTO进行水热合成36小时后，他们进行了额外的化学处理步骤以分离所需的材料。
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。”