鋰離子電池已經廣泛應用到社會生活的各個方面，給人們的生活帶來便利。但鋰離子電池中還存在一些基礎科學問題不是很清楚，其中，進一步揭示儲鋰材料儲鋰機理對改善鋰離子電池性能和探索新材料有著至關重要的作用。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)清潔能源實驗室E01組胡勇勝研究員等通過氮摻雜的碳材料包覆長壽命儲能型鋰離子電池用尖晶石結構的鈦酸鋰(Li4Ti5O12), 構建有效的三維混合導電網絡，大大改善了該材料的倍率性能(Adv. Mater., 23: 1385-1388, 2011；Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 15127-15133, 2011；ChemSusChem, 5: 526-529, 2012.)。同時，李泓研究員、胡勇勝研究員與A01組谷林研究員合作，利用球差校正環形明場成像技術(STEM-ABF)并結合第一性原理計算，在原子尺度上研究了鋰離子在儲鋰材料中的存儲行為( Energy Environ. Sci., 2011, 4: 2638-2644；J. Am Chem. Soc., 2011, 133: 4661-4663; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 5363-5367.)。

最近，盧俠博士研究生、胡勇勝研究員與A01組谷林研究員應用該技術對充放電過程中鈦酸鋰的結構演變進行深入研究，取得了下列新進展：(i) 沿[110]方向清晰觀察到了鋰離子在鈦酸鋰中的儲存位置；(ii) 首次在原子尺度觀察到該材料的兩相界面結構，從而證實了鈦酸鋰中的兩相反應機理，這對于理解鋰離子電池中兩相反應機理有重要參考價值；(iii) 利用原子分辨的電子能量失譜(EELS)研究了鋰化材料中的電荷分布問題，發現電荷的非均勻分布，和第一性原理計算結果一致；(iv) 觀察到所有鈦酸鋰材料表面顯示1-2納米厚度的不同于體相的結構，這可能是導致該材料在實際應用時脹氣的原因。相關成果發表在新一期的《先進材料》上(Adv. Mater., 2012, 24: 3233-3238.)。

上述工作得到了科技部儲能材料研究創新團隊、科學院知識創新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委能源項目群重點項目的支持。

圖1. (a) 尖晶石Li4Ti5O12的晶格結構示意圖，垂直方向為[110]， 1, 2, 3和4 分別對應16d, 32e, 8a和16c晶格位置. (b) 和(c)為Li4Ti5O12的球差校正暗場和亮場照片. (d)襯度反轉的線襯度示意圖，沿AB方向，其上方為放大的局部照片和原子結構示意圖。

圖 2. 化學鋰化的Li4+xTi5O12(x ≈ 0.15)兩相界面結構示意圖。(a)電鏡亮場照片，黃線為兩相界面，帶軸為[110]。(b)和(c)分別對應a圖中兩個區域的線襯度示意圖。(d)彩色的兩相(Li4Ti5O12相 (region 1) and Li7Ti5O12相 (region 2) )界面示意圖。(e)第一性原理計算模擬的兩相界面示意圖，在Li4相中8a Li位置保持不變，但是在Li7 相中16c位置的Li在界面附近發生了明顯的偏移，和電鏡結果一致。

圖3. Ti-L2,3原子分辨的電子能量損失譜. (a)第一性原理計算顯示的不同化學狀態Ti的分布示意圖。(b)彩色暗場鋰化的Li4Ti5O12電鏡照片。(c) Ti-L2,3原子分辨的電子能量損失譜，顯示鋰化后的樣品中的電荷非均勻分布。

圖4. 放大的Li4Ti5O12暗場和亮場電鏡照片。可以明顯看出表面顯示1-2納米厚度的不同于體相的結構，這可能是導致該材料在實際應用時脹氣的原因。

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