格拉茨工业大学的科学家正在“打孔”钛酸锂的晶格结构

格拉茨工业大学的科研人员找到了一种大幅提升钛酸锂离子导电性的方法。实验表明，通过有针对性地在晶体晶格中制造缺陷，可以“激活此前被阻塞的锂离子传输路径”。不过这仍属于传统的基础研究阶段。

钛酸锂（LTO）与石墨一样，是电池中常用的负极材料。但在未经处理的状态下，它的锂离子导电性很差。只有当电池充电、有额外的锂离子和电子被储存在该材料中时，它才会展现出较高的离子导电性。

格拉茨技术大学材料化学技术研究所的伯恩哈德·加德迈尔与马丁·威尔肯宁两位研究人员如今找到了一种完全不同的方法，将纯度较高、成分仍为Li4Ti5O12的“非锂化”LTO转化为性能更优异的离子导体：他们称自己在晶体晶格中刻意制造了所谓的“氧空位”。威尔肯宁解释道：“当晶体晶格中的个别氧原子被移除后，就会形成这些空位，从而为离子开放出此前被阻隔的迁移路径。这种扩散路径原本就存在于LTO结构中，但需要通过缺陷结构才能被激活。”该实验研究的结果已发表在《科学进展》期刊上。

为在LTO中制造缺陷，研究人员在低氧环境中将钛酸锂加热到300摄氏度。“通过这种温和的加热方式，可以去除晶格中的单个氧原子，”威尔肯宁继续解释道。“由此在晶格中产生的阴离子空位会直接影响锂阳离子的运动能力，从而使原本性能较差的材料转变为性能显著更好的离子导体。以LTO为例，充分体现了原子级缺陷结构对材料宏观性能的巨大影响。”

复杂的实验验证过程

研究人员通过结合电导率光谱学与核磁共振光谱学（NMR），在实验上证实了快速的离子传导现象。而NMR测量则为新激活的原子扩散路径提供了直接的实验证据。

马丁·威尔肯宁总结道：“我们的实验研究有力地表明，固体的性质并非仅由其化学组成决定，其在很大程度上还取决于其局部缺陷结构及热历史。我们展示了如何利用阴离子缺陷化学的经典概念来有针对性地控制小型锂阳离子的移动性。”

“这项研究同时也是一个典范，展示了无特定应用目标的基础研究如何催生新的材料功能，”研究人员如此表示。此外，“通过缺陷化学手段对离子导电性进行精准控制，为微电子和纳米电子领域中的离子晶体管、忆阻器以及类神经元器件带来了长远的发展前景。”