北京
这些空位激活了一条预先形成、此前被阻塞的锂阳离子迁移路径，将纯 LTO 转变为优异的离子导体。
在制造业中，完美通常是目标。单个微观缺陷就可能毁掉一枚微芯片、使结构梁开裂，或损害电池电芯。但在一项新研究中，奥地利格拉茨技术大学（TU Graz）的研究人员证明，故意损伤一种材料，或许恰恰是大幅提升其性能的关键。
一种新方法通过在晶体晶格中制造结构缺陷，提高了原始钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂，简称 LTO）原本较低的离子电导率。研究人员通过一种反直觉的方法——抽走单个原子、在其原位留下空位——将一条迟缓的离子通道转变为畅通的快速通道。
有意设计的缺陷
钛酸锂（LTO）是一种用于锂离子电池的先进负极材料。它以卓越的安全性和耐久性著称，可替代石墨，实现超快速充电、极长的使用寿命（数千次循环）以及低温下的可靠运行。
在纯净、未充电的状态下，原始 LTO 传输锂离子的能力很差。通常，这种材料只有在开始充电后、额外的锂离子和电子被压入其结构之后，才会成为良好的导体。
化学家 Bernhard Gadermaier 和 Martin Wilkening 完全跳过了充电步骤，并从一开始就通过构筑缺陷，对未充电材料的原子结构进行了改造。只需在低氧条件下以 300°C（572°F）温和烘烤，就能从晶体网格中剥离单个氧原子。
由此产生的“氧空位”打通了一条直接内置于晶体结构中的隐藏传输通道。在不改变材料基本化学式的情况下，缺失的原子为锂离子提供了自由移动所需的空间。
“由此产生的氧空位直接影响锂阳离子的迁移率，将原本较差的离子导体转变为明显更好的导体。LTO 的例子清楚地表明，原子尺度的缺陷结构会对材料的宏观性能产生巨大影响，” Wilkening 说。
LTO 被誉为“零应变”材料，因为其晶格在锂嵌入/脱出过程中几乎不发生体积膨胀或收缩。通过低温氧空位来调节其电导率，可保持这种结构稳定性，防止其他电池材料常发生的机械失效。
证明缺陷确实有效
为了确认离子确实在这些原子间隙中加速迁移，团队结合了两种先进分析手段：电导谱和核磁共振（NMR）谱。
电导测量追踪了电流在材料中的整体宏观流动，而 NMR 谱则通过直接追踪单个锂阳离子沿新打通路径的移动，提供了放大到原子尺度的证据。
NMR 数据提供了确凿证据：缺失的氧原子直接触发了新激活的扩散路径。
这一发现改变了科学家对固态材料的看法。材料的性能不仅取决于其化学成分，其内部缺陷同样重要。
这种新方法不再仅仅依赖化学成分，也不需要通过额外嵌入锂来提高电导率，而是利用材料的热历史和局部结构缺陷。
“这条扩散路径在 LTO 结构中已经预先形成，但只有通过缺陷结构才会被激活，” Wilkening 指出。
LTO 最广为人知的是它在耐用、快充电池中的作用，但通过缺陷化学控制离子运动开辟了更广阔的应用前景。
在微小尺度上精细调控离子流的能力，可能为下一代微电子器件铺平道路，包括旨在模拟人脑的离子电子学、忆阻和神经形态系统。
这项研究已发表在《Science Advances》期刊上。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
