【摘要】 基于密度泛函理论的钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）从头计算研究，揭示其作为锂离子电池阳极的导电机制、1.60V锂化电位特性及Li⁺扩散规律，助力高性能电池设计。

引言

随着化石燃料资源枯竭与碳排放问题加剧，太阳能、氢能及锂离子电池等清洁能源技术备受关注。自1991年商业化以来，锂离子电池因高能量密度和长寿命成为便携电子设备及电动汽车的核心储能方案。当前主流石墨阳极存在局限性，而钛酸锂化合物​（如Li₄Ti₅O₁₂）因优异稳定性成为潜力替代材料。本文基于密度泛函理论（DFT）的从头计算，解析钛酸锂阳极的结构特性与电化学行为。

 

钛酸锂材料特性与计算模型

钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）在锂化后形成Li₇Ti₅O₁₂，具备“零应变”特性，可有效抑制电池循环衰减。由于结构复杂性，研究首先分析基础化合物LiTi₂O₄和Li₂Ti₂O₄：

1.通过Li原子系统性替换Ti原子构建中间结构

2.结合化学势分析确定各结构稳定区域

3.采用态密度（DOS）计算电子性质

 

Ti₂O₄、LiTi₂O₄和Li₂Ti₂O₄的电子态密度分布图，展示绝缘体到导体的转变过程

图 1. Ti2O4（根据晶胞化学计量法为 Ti16O32）（左）、LiTi2O4（根据晶胞化学计量法为 Li8Ti16O32）（中）和 Li2Ti2O4（根据晶胞化学计量法为 Li16Ti16O32）（右）的态密度 (DOS) 和部分 DOS (pDOS)[1]

 

核心研究发现

1.导电性机制

  • Ti₂O₄呈绝缘体特性，LiTi₂O₄/Li₂Ti₂O₄表现为金属导体
  • 锂化结构Li₆[Ti₆]O₁₂与Li₆[LiTi₅]O₁₂均具导电性
  • Li₃[Ti₆]O₁₂导电，而Li₃[LiTi₅]O₁₂为绝缘体

2.电化学性能验证

  • 实验测得锂化电位：​1.60V​（与计算值高度吻合）
  • Li⁺扩散系数：​1.67×10⁻¹¹ cm²/s​（NEB方法计算，接近实验值）

 

应用价值与展望

钛酸锂阳极材料凭借高安全性、长循环寿命，适用于电动汽车与储能系统。本研究通过从头计算揭示了钛酸锂的导电机制与锂离子迁移规律，为高性能电池设计提供理论支撑。未来研究可聚焦纳米结构优化与复合电极开发，进一步提升倍率性能。

 

参考文献：[1]Amaya-Roncancio S, Reinaudi L, Chauque S, et al. Ab initio calculations of lithium titanates related to anodes of lithium-ion batteries[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2020, 141: 109405.

 

科学指南针以分析测试为核心，提供材料测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图等多项科研产品，累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。始终秉持“全心全意服务科研，助力全球科技创新”的使命，致力于为高校、院所、医院、研发型企业等科研工作者提供专业、快捷、全方位的服务。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。