鋰電池負極材料│摻雜尖晶石相鈦酸鋰的XRD表征

提供來源:上海百賀日期：2020年05月13日

1尖晶石相鈦酸鋰，快充堪稱奇
作為鋰離子電池新型負極材料之一，尖晶石相鈦酸鋰（Li4Ti5O12）在鋰離子嵌入和脫嵌過程中，晶格常數(shù)變化不到1%，晶體結(jié)構(gòu)能夠保持高度穩(wěn)定性，被稱為“零應(yīng)變”電極材料，能夠避免充放電循環(huán)中由于電極材料的體積變化而導致的結(jié)構(gòu)破壞，從而很提高了電極的循環(huán)性能和使用壽命。

鈦酸鋰具有尖晶石結(jié)構(gòu)，可提供鋰離子快速運動的三維通道，鋰離子的擴散系數(shù)比常規(guī)的碳材料大一個數(shù)量級；此外，鈦酸鋰具有更高的電位（比金屬鋰的電位高1.55V），表面不易生成半透膜（SEI膜）和鋰枝晶；因此，相對于廣泛使用的碳負極材料來說，鈦酸鋰負極材料可實現(xiàn)更快的充放電速度及承受更大的充電電流。據(jù)悉用鈦酸鋰做電極材料的電動公交，可以在6-10分鐘充滿電。

2摻雜鎂鋁何所至，衍射譜圖有秘密
鈦酸鋰雖然具有一系列優(yōu)異特性，但本身的導電性能很差，大電流放電易產(chǎn)生較大極化，因此業(yè)內(nèi)通常采用摻雜的方式，如用Mg2+等2價金屬取代Li+離子以提高其導電能力。

圖1為某摻Mg鈦酸鋰樣品的衍射譜圖及物相鑒定結(jié)果，并標出了各衍射峰的衍射指數(shù)。衍射譜圖中峰形尖銳，說明結(jié)晶良好。物相鑒定顯示為純相的尖晶石結(jié)構(gòu)，沒有明顯的雜質(zhì)相衍射峰，這表明樣品中Mg摻雜以固溶體的形式存在。

3晶粒尺寸亦有義，全譜精修能解析
使用MAUD軟件對上述數(shù)據(jù)進行Rietveld精修，依次調(diào)整標度因子、背景函數(shù)、晶格常數(shù)、峰形參數(shù)、原子坐標、溫度因子等參數(shù)，使得計算譜與實測譜基本重合。圖2給出了摻鎂鈦酸鋰材料的全譜擬合結(jié)果。可以看出，整體擬合較好，誤差線較為平直。

精修完成后，從MAUD軟件可以直接讀出晶粒尺寸為93nm。有研究表明，鈦酸鋰晶粒尺寸與快速充放電性能亦密切相關(guān)，晶粒越細小，鋰離子嵌入反應(yīng)路徑短，越有利于大電流充放電。類似的步驟可以用于鈦酸鋰電極材料的研發(fā)和質(zhì)量控制工作。