尖晶石型Li4Ti5O12锂离子电池负极材料的中子衍射研究

Neutron diffraction is sensitive to light elements and also can distinguish neighboring elements. Based on the advantages we will use neutron diffraction to study the effects of elements doping or oxygen vacancy on the crystal structure such as phase transition and composition, lattice parameters, site occupancies, oxygen vacancy concentration,Ti-O bond length, and so on. X-ray absorption spectra, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectra will be applied to analyze the effects of elements doping or oxygen vacancy on the electronic structure such as chemical valence and coordination elements. Based on the comprehensive analysis of the effects of elements doping or oxygen vacancy on the crystal structure, the electronic structure, Li-ion diffusion coefficients, electronic conductivity and electrochemical performances, the modification mechanism will be illustrated. In addition, according to the different modification mechanism of elements doping or oxygen vacancy, the synergic effects of some double-elements doping or the combination of element doping and oxygen vacancy on the crystal structure, the electronic structure, Li-ion diffusion coefficients, electronic conductivity and electrochemical performances will also be investigated and their synergic mechanism will be discovered. This study is significant to design and develop high performance Li4Ti5O12 anode for lithium ion batteries.

本课题利用中子衍射对轻元素敏感、能区分邻近元素等特点研究不同元素掺杂或氧空位引入对Li4Ti5O12晶体结构（相变、相组成、晶胞参数、掺杂原子及其原子占位分布、氧空位分布与浓度、Ti-O键长等）的影响，并通过X射线吸收谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱等分析其对元素价态、近邻配位原子数等电子结构的影响。通过综合分析不同元素掺杂或氧空位引入对晶体结构、电子结构以及锂离子扩散系数、电子导电率、电化学性能等的影响规律，阐明元素掺杂或氧空位引入对Li4Ti5O12的改性机制。此外，根据元素掺杂或氧空位对电化学性能的不同改性机制，本课题还将优化、设计双元素掺杂以及元素掺杂-氧空位引入对Li4Ti5O12进行协同改性，研究它们对Li4Ti5O12晶体结构、电子结构、电子或锂离子传输以及电化学性能的协同影响，揭示其协同改性机制，这对设计、开发高性能Li4Ti5O12负极材料具有重要意义。

本项目针对锂离子电池负极材料Li4Ti5O12存在的离子电导率低、性能调控机制不明关键科学问题，通过中子衍射与X射线衍射相结合研究不同元素掺杂或氧空位对Li4Ti5O12晶体结构相变、相组成、晶胞参数、原子占位分布、氧空位分布、Ti-O键长等的影响，并通过X射线吸收谱、X射线光电子能谱等研究其对元素价态、近邻配位原子数及电子结构等细微结构的影响，综合分析了不同元素掺杂或氧空位对晶体结构以及元素价态、近邻配位原子数等细微结构及锂离子扩散系数、电子导电率、电化学性能等的影响，阐明了不同元素掺杂或氧空对电化学性能的影响机制。此外，在阐明单一不同元素或氧空位改性机制的基础上，本项目还设计、合成了双元素掺杂体系以及掺杂-氧空位等协同改性体系，开发出了综合性能更优异的Li4Ti5O12负极材料，并揭示了其协同改性机制，取得了一系列创新性成果，促进了钛酸锂负极材料的发展。该研究对设计开发高性能钛酸锂负极材料具有重要的科学意义和实际价值。累计发表SCI论文13篇，研究成果得到了国内外同行的关注和引用，并培养了领域相关人才3名；参加学术会议3次。