格拉茨技术大学的研究人员通过“打孔”晶格提升钛酸锂的导电性

格拉茨技术大学的研究人员找到了一种显著提高钛酸锂离子导电性的方法，这为电池负极材料带来了新的可能性。通过刻意在材料的晶格结构中引入缺陷，他们“激活了此前被阻塞的锂离子传输路径”。

与石墨一同，钛酸锂也是电池中广泛使用的负极材料。但在未经处理的状态下，它的锂离子传导性能较差，只有在对电池充电、有额外的锂离子和电子嵌入材料时，其离子导电性才会提升。

格拉茨技术大学材料化学技术研究所的伯恩哈德·加德迈尔和马丁·威尔肯宁两位研究人员如今采用一种全新的方法，成功将成分保持为原始状态Li4Ti5O12的纯（“未锂化”）LTO转化为性能显著更优的离子导体。他们通过在晶体晶格中刻意制造被称为氧空位的“孔洞”实现了这一目标。威尔肯宁解释说：“当晶体晶格中的单个氧原子被移除后，这些空位就会为原本被阻隔的离子开辟出迁移路径。这种扩散路径其实早已由LTO结构决定，但只有通过缺陷结构才能被激活。”这项实验研究的结果已发表在《科学进展》期刊上。

为在LTO中制造空位，研究人员将钛酸锂置于低氧环境中加热至300摄氏度。“这种温和的加热方式能将单个氧原子从晶格中移除，”威尔肯继续解释道。“由此在晶格中产生的阴离子空位会直接影响锂阳离子的迁移率，从而使原本导电性较差的材料转变为导电性显著更好的材料。LTO的例子充分体现了原子缺陷结构对材料宏观性能的巨大影响。”

复杂的实验验证

研究人员通过结合电导率光谱法和核磁共振（NMR）光谱法，实验性地证明了快速的离子传导现象。NMR测量结果为新激活的原子扩散路径提供了直接的实验证据。

“我们的实验研究清楚地表明，固体的性质并非仅由其化学成分决定，还受到其局部缺陷结构及热历史的重要影响，”马丁·威尔肯宁总结道。“我们展示了如何运用阴离子缺陷化学的经典理论来精确控制小型锂阳离子的迁移率。”

研究人员指出，这项工作也是好奇心驱动的基础研究如何带来新材料功能的重要例证。“通过缺陷化学实现对离子导电性的精准控制，为微电子和纳米电子学领域的离子电子器件、忆阻器及类脑组件带来了广阔的发展前景。”