圖1.由鈦酸鋰納米片(HLTO-NS)組裝分層微球的制備示意圖

與便攜式電子設備相比，電動汽車要求鋰離子電池具有更出色的倍率性能和長的循環壽命。研究者們發現了一種“零應變”材料Li4Ti5O12。Li4Ti5O12的充放電平臺在1.55V，從而有效防止了SEI膜的生成，極大地提高了鋰離子電池的安全性能，能夠很好的滿足電動汽車對電池的需求。

但是低電導率和鋰離子擴散系數制約了Li4Ti5O12的倍率性能和循環穩定性的提高。為此，研究者們通過離子摻雜，表面包覆導電層以及制備多孔納米結構等方法來解決這些問題。

近日，北京大學徐東升教授、李琦教授等人通過簡單的三步水熱法制備出了由超薄Li4Ti5O12納米片(HLTO-NS)組裝的分級結構微球。該Li4Ti5O12微球表現出良好的電化學性能。

圖2.a)商業化的P25粒子的SEM圖，b)鈦酸鈉納米線的SEM圖，c)分層鈦酸鈉SEM圖，d)鈦酸氫鈉的SEM圖，e)和f)分層碳酸鋰的SEM圖，不同比例鈦酸鋰的XRD圖譜

圖3.a)HLTO-NS微球的TEM圖，b)HLTO-NS微球的HRTEM圖，c)單獨納米片的TEM圖，d)單獨納米片的HRTEM圖，d)中FFT插圖，HLTO-NS樣品的N2脫吸附等溫線和孔徑分布曲線

通過三步水熱法制備的HLTO-NS微球很好的防止了顆粒易團聚的缺點，海膽狀的微球尺徑分布在1-5μm之間，處理后的微球形貌也沒有發生明顯的改變。鋰和鈦的摩爾比是控制產品純凈度的重要因素：當Li:Ti=1.5時，可得到純凈的HLTO-NS微球。在1,2,5,10,15,20,50C的倍率下，放電容量分別為179,171,167,162,159,156,150mAh/g(理論比容量為175mAh/g)。

隨著電流密度的提高，HLTO-NS的比容量下降的非常緩慢。巨大的比表面積，使其比容量超過了Li4Ti5O12的理論值。在20C倍率下循環3000次后，HLTO-NS的比容量仍高達126mAh/g。

圖4.a)HLTO-NS的CV曲線，b)HLTO-NS在不同倍率下的初始充放電曲線，c)HLTO-NS的倍率性能，d)HLTO-NS在20C下經過3000次循環的比容量和庫倫效率曲線

HLTO-NS微球作為鋰離子電池負極材料所表現出的優異性能歸功于以下幾點：

本文提出的超薄納米片平均厚度為6.6±0.25nm，Li+和電子可直接經過表面納米片傳輸，縮短了傳輸距離;

分層結構促進電解質對電極的浸潤，提高了鋰離子從電解質進入到納米片中的速率;

大尺寸的分層微球可以供應更好的結構穩定性和集流體有更好的接觸，進而延長循環壽命。