文|柳八原
編輯|柳八原
钽基鈣钛礦是一種新型锂離子電池陽極材料，它的結構由钛氧八面體和含钽離子的氧八面體組成，具備出色的電化學性能和結構穩定性。該材料具有以下特點：高容量和高速率的充放電性能，能夠存儲更多的電荷并實作快速充放電；同時，它的體積膨脹較低，具備優異的循環穩定性，有效減少電池容量的衰減和循環壽命的損失。
下面就讓我們來探究一下钽基鈣钛礦作為锂離子電池陽極材料有哪些作用吧！
提升锂離子電池性能的關鍵
最新的锂離子電池利用锂離子在電極的結構基質中插入和脫離的過程來實作能量存儲。在插入過程中，锂離子會被嵌入電極結構的特定位置，這通常通過不同的方法實作，取決于所采用的電極材料。例如，矽材料可以通過合金化過程實作锂離子的插入。
在脫離過程中，锂離子從電極材料中釋放出來，這個過程涉及到離子在電極中的轉移以及在外部電路中等效電子的流動。
锂離子電池是一種可逆的化學還原——氧化反應，它實作了化學能量的儲存和釋放。在氧化還原反應過程中，能量被釋放，同時電子和離子在正極和負極之間進行交換，形成更加穩定和具有前景的化合物。
锂離子電池的電化學特性受多個因素的影響，包括電極材料、電解質類型（即電壓視窗）以及電池的幾何形狀。這些因素對充電容量有着巨大的影響。例如，在手持裝置中常使用正極材料為磷酸鐵锂或钴酸锂的锂離子電池。
為了確定高性能，需要選擇高品質的正極、負極和電解液材料，并進行精确的制備過程。這包括確定材料的純度、顆粒大小和結晶度符合要求，以及采用适當的方法制備電極材料，包括正極和負極的塗布或沉積過程。這樣可以確定電極材料具有均勻性、緻密性和良好的充放電性能。
通過進行循環性能測試，可以評估電池的容量衰減、循環穩定性和電化學性能。這包括進行充放電循環和循環伏安測試等，以評估電池在實際使用中的性能表現。
為了提高電池的穩定性和循環壽命，可以優化電極與電解液之間的界面。這可以通過添加劑或塗層來實作，以減少電解液的分解和電極表面的副反應。此外，采用各種結構表征技術，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍射，可以對電池材料和電極的微觀結構進行分析，以了解其晶體結構和界面特征。
常見的負極材料包括石墨和其他碳化合物，每種材料都有其優勢。例如，基于钴酸锂的電極具有較高的儲存容量，而磷酸鐵锂則具有更好的安全性能。
需要注意的是，某些锂離子電池可能存在安全隐患。例如，基于锂金屬的電池使用锂金屬作為電極，在與水接觸時可能産生氫氣并導緻爆炸。此外，一些常用的電解質含有易燃的有機化合物和有毒的锂鹽類。是以，在電池設計和制造過程中需要采取相應的安全措施。
在锂離子電池中，有三個基本功能部件，它們分别是：正極，又稱陰極，負極，又稱陽極。這些電極負責電池充電和放電過程中的電子傳輸。
電解質充當促進锂離子在陰極和陽極之間移動的媒體，它是一種離子導體，通常由有機溶劑和锂鹽的混合物組成，電解質允許離子流動，同時防止電極直接接觸，這可能導緻短路。
最初，锂金屬被用作早期锂離子電池的陰極材料。然而，由于安全性問題以及锂金屬易形成枝晶導緻的短路和電池故障，锂金屬被锂化合物取代，成為了正極材料的選擇。
在锂離子電池中，碳通常以石墨的形式存在，作為最常用的陽極材料。目前，研究和開發正在進行，以尋找能夠提供更高電荷容量的材料來替代石墨。盡管矽具有更高儲能容量的潛力，但它在充電和放電循環過程中面臨體積膨脹的挑戰。
在锂離子電池中，陰極材料通常采用磷酸鹽，例如LiFePO4，或過渡金屬氧化物，例如锂金屬钴氧化物系列。這些材料在電池運作期間提供必要的氧化還原反應。
目前，锂離子電池的陽極活性材料通常是石墨。然而，正在進行的研究主要集中在尋找替代材料，以提高锂離子電池的儲能容量和性能。
為了實體上分隔陰極和陽極，并允許锂離子的傳輸，聚乙烯或聚丙烯隔膜被廣泛用作分離器。這種隔膜的使用有助于防止電極之間的直接接觸，進而避免短路的發生。
锂離子電池中使用的電解質是有機溶劑的混合物，這些溶劑通常與锂鹽（如六氟磷酸锂，LiPF6）結合，以便锂離子能夠在電池内部移動。
在正極：LiCoO2 ↔ Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 在充電過程中，锂離子 從 LiCoO2 正極材料中脫出，導緻锂含量減少，此過程伴随着電子 (e-) 的釋放。
在陽極：xLi+ + xe- + 6C ↔ LixC6 同時，來自陰極的锂離子 和電子與石墨陽極結合，導緻锂嵌入石墨結構中。
锂離子電池的實際行為會受到特定電極材料、電解質成分、溫度和其他操作條件等因素的影響，而石墨由于其出色的特性，例如與純锂金屬相比較低且平坦的電位視窗以及良好的循環壽命和低成本等，仍然是最合适的陽極電極候選材料。
但是，LiCoO2代表陰極的活性材料時，石墨隻能插入每六個碳原子中的一個Li離子，形成LiC6，并且是以産生可逆等效容量為372 mAh g-1。
與石墨相比，無序碳層中的锂離子擴散速率介于10-12和10-6 cm2/s之間，而石墨的擴散速率介于10-9和10-7 cm2/s之間，是以導緻電池具有較低的功率密度。
最近，有需求将石墨陽極材料替換為具有更好和增強容量特性和功率密度的材料，盡管在陽極材料中純锂金屬具有非常高的容量，但安全性問題限制了在可充電電池中持續使用純锂金屬作為陽極材料，因為锂金屬上的枝晶形成會導緻陰極和陽極之間短。
是以，實作具有改進的能量和功率密度的锂離子電池面臨着一個重要挑戰，即選擇合适的陽極材料，它們可以提供高容量，便于锂離子擴散到陽極中，同時具有良好的循環壽命并且不在放電的過程中锂離子電池中，右側顯示Li1-xCoO2材料的層狀結構，左側代表石墨片的陽極。，充電過程中，锂離子從陰極（正極）遷移到陽極（負極）。
锂離子電池中的能量存儲之源
陰極在放電過程中充當锂離子的承載體，收集通過電解質從另一電極遷移過來的锂離子，良好的陰極材料一方面必須足夠穩定，以容納锂離子而不與其發生反應，進而使材料結構永久性地改變或失真，但另一方面不太穩定到降低锂離子接受的機會，進而導緻不可逆過程，這類似于一次性電池的情況。
對插層材料進行的深入研究表明，它們是最适合這一目的的材料，因為锂離子可以在材料的空位中承載自身而不會對結構特征産生顯着變化，通過在相反方向上施加幾乎相同的電壓，可以輕松實作插層過程。
锂钴氧化物LiCoO2作為陰極材料首次由索尼商業化生産的锂離子電池，除了钴元素的成本非常高以及其已知的危險和安全問題之外，锂钴氧化物在當時是最好的選擇。
通過深入研究，發現了可以用作替代陰極材料的新型LCO，通過添加錳、鋁和鎳形成了新的改進陰極材料。锂鎳钴鋁氧化物和锂錳钴氧化物等材料增強了陰極材料的結構層的熱穩定性，盡管钴仍然是結構的一部分存在障礙。
作為陰極材料，LiFePO4的比能量密度約為586Wh/kg，與钴酸锂LiCoO2相比并沒有明顯提高，該材料的電化學特性一開始并不是最好的，但是為了改善這種特性進行了大量的研究工作。
純LiFePO4的電子導電性非常低，約為10^-9 S/cm，非常之低，後來的研究表明，如果顆粒尺寸足夠小且尺寸分布較窄，碳塗層可以顯著提高其電子導電性。
由于其體積能量密度略低于钴酸锂LiCoO2，以及其合理的成本、長壽命和環境友好性，所有這些特性使其成為新型陰極的理想候選材料。
錳酸锂LiMn2O4是一個有趣的例子，作為锂離子電池陰極材料的早期候選材料，起初它被認為是一個有希望的陰極材料，但是發現錳溶解是一個無法解決的固有問題，這被認為是由于“平均氧化态”。
在研究克服溶解問題的可能性時，從相同材料中得到了一種新的陰極材料，稱為锂錳鎳酸鹽，這種材料展示了非常有希望的特性，從提高插層電位到約4.7V，而不是LMO材料的約4.0V，這個高電位使得LMNO材料成為陰極材料曆史上的第一個。
在研究中顯示，正矽酸鹽Li2MSiO4材料作為锂離子電池的一種新型“多氧陰離子”陰極具有很大的潛力，在可逆電位上，即在放電/充電過程中提取和插入锂離子，它們為每個化學式單元提供兩個锂離子，對應于約330mAh/g的理論容量，這是相當高的，這個容量比橄榄石LiMPO4類型材料高出兩倍。
在正交晶系Li2MSiO4中，Li2FeSiO4是最有希望的材料，因為矽和鐵元素都豐富且成本顯著較低，但是，與矽相關的固有低電子導電性是一個主要的缺點，Li2FeSiO4的電子導電性計算為6×10^-14 S·cm^-1，相應的比容量發現為165mAh/g，具有去除1Li+ / Li2FeSiO4的能力。
經過幾個循環後，容量減少到140mAh/g，根據研究，在循環過程中，它與材料共存的一些雜質相産生副反應，使得電位從初始充電曲線的3V以上降低到約2.9V。
經過研究表明，钽基鈣钛礦在锂離子電池中表現出良好的循環穩定性和電化學性能，它們具有較高的锂離子嵌入以及脫嵌電位，這對于提高電池的能量密度和循環壽命非常重要，除了這些，钽基鈣钛礦還表現出優異的電導率和離子擴散性能，有利于快速的離子傳輸和充放電過程。