鋰離子電池以其高能量、高功率密度等特點(diǎn)，在小型移動(dòng)電子設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，目前正致力于開發(fā)電動(dòng)汽車以及智能電網(wǎng)用長(zhǎng)壽命鋰離子儲(chǔ)能電池。尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12作為一種新的負(fù)極材料，正逐漸成為研究熱點(diǎn)。Li4Ti5O12其電位平臺(tái)在1.54V，高的電位平臺(tái)避免了鋰枝晶的形成，從而提高了電池的安全性能；同時(shí)在鋰離子嵌入/脫出過程中的體積“零應(yīng)變”，具有潛在的循環(huán)性好的優(yōu)勢(shì)。

純Li4Ti5O12為寬帶隙材料，具有低的電子電導(dǎo)率，無法在大電流密度下進(jìn)行充放電；而且以Li4Ti5O12為負(fù)極的鋰離子電池在使用和貯存過程中由于表面催化反應(yīng)，有持續(xù)脹氣問題，帶來一定安全隱患和降低循環(huán)壽命。對(duì)其進(jìn)行表面包覆是解決其問題的有效途徑之一，但如何得到均勻的包覆層以及實(shí)現(xiàn)在較低溫度下得到高電導(dǎo)率的包覆層一直是一個(gè)重要的技術(shù)難題。

中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）清潔能源實(shí)驗(yàn)室黃學(xué)杰研究組的博士生趙亮與胡勇勝研究員等，提出了一種利用含氮元素離子液體實(shí)現(xiàn)均勻薄層（1-2nm）含氮元素?fù)诫s碳包覆Li4Ti5O12負(fù)極材料的技術(shù)，包覆改性后的材料顯示了突出的循環(huán)性（半電池循環(huán)2000次容量保持率83%）與倍率特性（在10C（6分鐘充放電）倍率下容量保持率80%，容量為129 mAh/g）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：離子液體具有較低的蒸汽壓，在熱處理過程中不會(huì)有溶劑揮發(fā)的問題，所以易于形成均勻的包覆層；離子液體有種類豐富的陰、陽(yáng)離子可以選擇，便于調(diào)節(jié)其中氮的構(gòu)型和含量。此外，該低溫包碳方法還可以推廣到對(duì)其它電極材料的包覆。以上工作發(fā)表在Adv. Mater.（23, 1385-1388, 2011）上。

為了進(jìn)一步研究氮元素?fù)诫s包碳的機(jī)理，與陸興華研究組的博士生丁子敬和孟勝研究員合作，構(gòu)建了graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面結(jié)構(gòu)模型，獲得了界面電荷轉(zhuǎn)移的圖像，間接說明通過氮摻雜可以提高表面電導(dǎo)；通過包覆，可以消除Li4Ti5O12表面的不飽和懸鍵，有利于提高其循環(huán)穩(wěn)定性，也可能有利于解決Li4Ti5O12基鋰離子電池的脹氣問題。以上工作發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 15127-15133, 2011上，并申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利。

上述工作得到了科技部?jī)?chǔ)能材料研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程能源項(xiàng)目群方向性項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃、基金委能源項(xiàng)目群重點(diǎn)項(xiàng)目以及廣東省科技廳的支持。