研究显示，尖晶石型钛酸锂（LTO）由于其在锂插入/提取期间的零应变行为以及优异的化学稳定性和良好的循环性，被认为是用于锂离子电池的很有希望的阴极材料，然而不幸的是这种材料具有低的离子和电子电导率，这一点阻碍了它的实用性。
虽然纳米结构的LTO颗粒可以提供优异的速率性能，在100C甚至更高的高电流速率下获得了大量的能力。但是由于这种粉末的低振实密度而难以制造高体积能量密度的电极。作为解决方案，可以设计理想的分层结构材料，其中主要的纳米晶体形成较大的多孔聚集体，其可以进一步分组成微尺寸的晶粒。良好控制的多尺度孔隙度将能够有效地渗透液体电解质，Li+扩散的距离在电化学活性NPs内可实现最小化。
有鉴于此，Chaput等人发明了一种可批量化制备多级纳米结构Li4Ti5O12（LTO）负极材料的醇热法。具体研究如下：
一、原料的制备
简单混合乙酸锂二水合物和仲丁醇钛，然后在自生压力和搅拌下在300℃下加热2小时来实现。再通过离心及乙醇洗涤。干燥后得到纯结晶粉末（图1a），随后分散在乙醇中（图1b）。
图1（a）多级钛酸锂纳米颗粒的纯结晶粉末；（b）多级钛酸锂纳米颗粒分散在乙醇中；（c）多级钛酸锂纳米颗粒的XRD图，红色图表示拟合后残差
图1c XRD图表征了材料的高结晶纯LTO相，并对应于尖晶石型立方结构。图中有显著的峰值增宽，一般来说，这种峰值变宽可以由许多因素产生，例如器件问题，晶格畸变和微晶尺寸。最后一个因素产生洛伦兹变宽，而前者则产生高斯形。实验XRD衍射曲线比洛斯兹函数更好地拟合高斯，这意味着微晶尺寸是主要因素。
二、多级钛酸锂纳米材料结构的表征
图2 钛酸锂纳米颗粒的分层结构
（a）钛酸锂纳米颗粒的TEM图，10nm；（b）钛酸锂纳米颗粒的环形电子衍射图，20nm；（c）更高倍率的TEM图，500nm；（d）由SEM和TEM看到的总体组织结构图
图3 多级钛酸锂纳米颗粒的吸附/解析等温线；Barrett-Joyner-Halenda模型（插图）
图3显示的吸附/解析等温线证实了材料的多孔结构，滞后是由于NPs的聚集，其在中孔范围内产生空隙，从而导致毛细管冷凝。从Barrett-Joyner-Halenda模型（插图）计算的孔径分布，清楚地显示出三种类型的孔隙度：（i）40-50nm的较粗的中孔隙度，（ii）更细的中孔隙度为2-4nm，（iii）微孔。这与提出的聚合物中的多级装配是一致的。
图4多级钛酸锂纳米颗粒的傅立叶变换红外光谱（FTIR）图
由多级钛酸锂纳米颗粒的X射线光电子能谱（XPS）和FTIR证实，多级钛酸锂纳米颗粒主要被烷氧基钛和1,4-BD残留的丁氧基覆盖。
三、多级钛酸锂纳米颗粒的电化学性能表征
已知的是，微米级和纳米级的LTO的充电/放电曲线在形状上是不同的，通过实验，可以发现有趣的是在低电流速率C / 2下的记录曲线显示出相当大的容量范围（约 30-40mAhg -1），其中电压随电极的变化而不断变化。之后是相对平坦的区域，最后在充电/放电的最后阶段发生更大的变化（图5a）。
图5多级钛酸锂纳米颗粒的电化学性能表征
（a）以C/2电流循环的Li/ Li+/LTO电池的充电/放电曲线；（b）以50C的电流速率进行Li / Li+/ LTO电池的初始1000次循环；（c）Li / Li+/ LTO电池以50C电流速率循环的充电/放电曲线图；（d）Li/Li+/LTO电池在500C下放电并以50C放电的放电容量表征图
图5b显示了在1.3-2.5V范围内记录的50C充电/放电速率的CR2032 Li / Li + / LTO电池的初始1000次循环的结果。尽管初始循环中的容量较低，但在循环过程中显着改善，这可能与减少的极化直接相关（图3c）。
图5c表示Li/Li+/LTO电池在500C放电并以50C放电情况下，可以维持大约99mAh g -1的显着放电容量，该结果具有实际意义，它表明可以实现基于LTO的能够进行超快速充电的电池的制造。
四、结论
高性能锂离子电池需要具有精确设计的微纳米结构，通过减少晶粒尺寸和操纵结构和形貌确保有效的离子和电子传输，增强电化学性能。
综上所述，Chaput等人开发了一种简便的醇热法来制备分层结构的LTO型纳米尖晶石的方法。通过分析方法（ICP-OES，XPS和XRD）的组合可以发现，这种材料具有超过理论值的低电流密度的记录容量，以及在50C电流密度下1000次循环之后几乎没有容量衰退的迹象。这表明实现基于LTO的能够进行超快速充电的电池的制造是极有希望的！
本文节选自： Odziomek, M. et al. Hierarchically structured lithium titanate for ultrafast charging in long-life high capacity batteries. Nat. Commun. 8, 15636 doi: 10.1038/ncomms15636 (2017).
