常规的锂离子电池石墨负极的工作电压与金属锂一样低，会遇到不良的储存能力和安全问题。
基于以上现状，东北师范大学杨国春教授，中国科学院物理研究所谷林研究员，吉林大学杜菲教授等在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries”的论文。Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian为本文共同第一作者。
a Schematic crystal structure;
b Rietveld refinement based on powder XRD;
c Large area HAADF images of LLTO perovskites along the [100] zone axis. Scale bar: 5nm;
d HAADF-STEM image of LLTO. Scale bar: 2nm;
f Magnified of HAADF-STEM;
g Magnified of ABF-STEM. The green, blue and red balls in e and g represent the atoms of La, Ti and O, respectively.
本文介绍了一种在具有优异性能的钛酸锂镧钙钛矿锂电池负极材料。受先前对离子导电固体（如钠离子电池中的NaTi2（PO4）3）的研究的启发，作者探索锂离子导电结构，以识别合适的主体晶格，该主体晶格具有良好的Li扩散特性，并突破了锂电极材料的颗粒尺寸的一般标准。
La2/3-s/3LisTiO3是众所周知的超离子导体，在室温下具有高离子电导率。它在由La原子稳定的TiO6八面体骨架构成的坚固钙钛矿型结构中结晶，如图1a所示，在未占据的18d和6a位置具有大量空位，这可能参与Li的存储和运动。此外，La2/3-s/3LisTiO3在高水平的Li插入下经历了从绝缘体到金属的电子跃迁，对应于相对于Li+/Li低于1.5V的电势。这使La2/3-s/3LisTiO3成为高倍率LIBs的理想候选电极。
迄今为止，石墨和尖晶石Li4Ti5O12是最成功的LIB负极材料，已广泛用于商业LIBs中。尽管石墨可以提供372 mA h g-1的高比容量，但锂电镀附近的低工作电压可能会引起对电池安全性的担忧。尖晶石Li4Ti5O12被认为是一种高倍率的负极材料，然而，诸如低容量和过高的工作电势等缺点可能会严重限制全电池水平的输出能量密度。因此，对于具有高容量和安全潜力的双重功能的锂电池开发合适的基质材料仍然存在巨大挑战。
最近，研究人员提出了一种层状化合物Li（V0.5Ti0.5）S2，尽管实现高可逆容量，仍显示出不满意的倍率容量和不足的循环寿命。Li2TiSiO5是另一种有趣的层状材料，由无限片扭曲的TiO6八面体和SiO4四面体（通过Li原子连接）组成。负极由于TiO和Li4SiO4的两电子转化反应，相对Li + / Li的工作电势为0.28 V，比容量接近200 mA h g-1。然而，转化反应很可能会导致不可逆的相分离和晶界运动，其结果是严重的失配应变，颗粒破裂和粉化。因此，通过控制体积变化优化合适的晶体结构可以帮助实现更好的电化学可逆性和稳定的循环。
除了高容量和合适的电压外，材料的高倍率能力对于LIB也是必不可少的。一般来说，最大功率输出和最小充电的可再充电电池的时间依赖于离子和电子运输。活性粒子内的离子扩散通常代表对充电和放电时倍率的基本限制。迄今为止，提高倍率性能的最常用策略是将材料尺寸减小至纳米，从而可以最大程度地减小离子扩散距离。但是，纳米结晶可能不利于体积堆积密度，制造成本，稳定性和可持续性。
作为一个替代方法，几个散装材料被报道具有当离子插层到伴随着没有结晶相转变的感应电流的电荷转移的活性物质的隧道或层中发生的嵌入伪电容电荷存储行为。插层拟电容反应提供的最显着特征是快速的电荷存储和释放过程，这可能会在容量和高倍率之间提供合理的折衷。
在这项工作中，作者通过克级别（重量单位）固态反应合成富锂化合物La0.5Li0.5TiO3。即使在微米级的颗粒中结晶，负极仍然显示出优异的锂存储性能，该锂存储性能超过了经过大量研究的Li4Ti5O12和TiO2的纳米结构衍生物。结合较低的锂电势（低于1.0 V），较高的可逆容量（高于200 mA h g -1）和优异的高倍率能力，La0.5Li0.5TiO3可能是商用锂的有希望的替代品Li4Ti5O12作为锂离子电池的高性能负极材料。
将钙钛矿结构的钛酸盐La 0.5 Li 0.5 TiO 3纳入这一有前途的负极材料家族。相对于Li + / Li，平均电势约为1.0 V ，该负极表现出225 mA h g -1的高比电容并维持涉及可逆相变的3000个周期。在不减小从微米级到纳米级的粒径的情况下，其倍率性能已经超过了纳米结构的Li 4 Ti 5 O 12。进一步的表征和计算表明，赝电容决定了锂的存储过程，而有利的离子和电子传输是倍率提高的原因。我们的发现为具有所需电化学性能的钛基负极材料的鉴定和开发提供了新的动力。
a Discharge–charge profiles since the second cycle at 0.1 C; b Comparison of discharge–charge profiles between LLTO and Li4Ti5O12; c Rate capability; d Comparison of rate capability for bulk LLTO, bulk Li4Ti5O1224 and nano Li4Ti5O12 electrode; e Long-term cycle stability at 10 C.
Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
杨国春，男，教授，博士生导师。东北师范大学理学博士，加拿大阿尔伯塔大学和吉林大学博士后，澳大利亚墨尔本大学荣誉访问学者。一直从事理论计算研究，以基础理论研究助推功能材料研发为研究特色，在光电材料、能源材料和高压物理/化学领域取得创新性研究成果。以第一作者和通讯作者身份在Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., J. Phys. Chem. Lett., Phys. Rev. B., J. Mater. Chem. A&C, J. Phys. Chem. A&C等国际刊物上发表多篇SCI收录论文。应邀撰写综述论文3篇（Wires Comput. Mol. Sci., J. Phys. Chem. Lett., Chin. Phys. B.）和Book Chapter (Top. Curr. Chem.)。发表论文被引用3000余次（Google Scholar统计），ESI高被引论文1篇。研究成果获国外学术界和媒体的广泛关注，如被《Physical Review Letters》遴选为 “Editors’ Suggestion”，《Angewandte Chemie》遴选为“Hot Paper”，美国《超导周报》专题报道，美国物理门户网站新闻报道，《Nature Review Chemistry》专题报道，《Advanced Science News》新闻报道和《Chemistry World》亮点报道等。获吉林省有突出贡献专业技术人才，吉林省拔尖创新人才，吉林省科学技术进步二等奖，吉林省自然科学学术成果二等奖等荣誉称号和奖项。
基于第一性原理和结构预测方法开展研究，主要研究方向为：
（2）二维功能材料设计，主要聚焦能源材料和半导体材料；
谷林，中国科学院物理研究所研究员，从事电子显微学方法研究近20年。2002年清华大学本科毕业，启蒙于我国电子显微学专家朱静院士。2005年获得美国亚利桑那州立大学（ArizonaStateUniv.）博士学位，导师DavidJ.Smith教授。2006-2009年在德国斯图加特马普金属所与合作导师ManfredRühle教授工作期间，实现了价电子能量过滤扫描透射电子显微术。2009-2010在日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构与合作导师幾原雄一教授工作期间，发展了球差校正环形明场成像技术，实现了原子尺度对锂离子的直接观测。从2010年底起回到中科院物理所先进材料和结构分析实验室。
回国后，进一步克服了锂元素和氧元素原子散射截面小所带来的图像衬度弱以及原位实验原子尺度稳定性等问题，实现了外场调控下锂离子、氧空位迁移的原子尺度原位观测；并在此基础上，实现了锂离子迁移的三维原子尺度原位观测。近年来从事功能氧化物材料、储能材料、纳米催化剂的原子尺度结构和电子结构研究，取得了系列成果。发表SCI论文500余篇，其中包括Science及Nature正刊12篇，子刊50余篇，他引28000余次。获得国际电子显微学联合会青年科学家奖(2006)；国际锂电池会议青年科学家奖（2012）；中国科学院“卢嘉锡”青年人才奖（2013）；中国科学院杰出科技成就奖（主要完成人）（2013）；基金委“优秀青年基金”和中组部“青年拔尖人才”计划（2015）；入选教育部“青年长江学者”计划（2016）；获得中国晶体学会青年科技奖（2018）；入选科睿唯安材料科学领域（2018-2019）和化学领域（2019）全球高引科学家。代表性论文及专利:ResearcherID:D-9631-2011
目前负责基金委面上项目；科技部973项目；中科院科技创
新交叉与合作团队项目；中科院先导项目；北京市重点项目等课题。
功能材料皮米尺度精细结构与新奇物性；功能材料原子尺度结构与电子结构。
杜菲，教授，博士生导师。现任吉林大学物理学院副院长，新型电池物理与技术教育部重点实验室副主任。2008年博士毕业于吉林大学材料科学与工程学院。目前主要从事新型储能电池体系开发、钠离子电池用关键电极材料的功能化设计与可控合成等研究。先后承担或参与国防科工委、国家自然科学基金、科技部973项目等多项重大项目研究。发表SCI收录论文100余篇，其中包括Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A等高档次学术论文，总计他引1137次。
研究兴趣：储能用电池新体系的开发；关键电极材料的设计与合成；电极材料的结构、物理及电化学性质的研究 。
曾获吉林省自然科学一等奖，2013年，新型锂离子电池的设计合成与性质研究，（陈岗，魏英进，王春忠，杜菲，邹勃，孟醒）
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