- 研究人員利用氧缺陷技術提升鋰鈦氧化物的離子導電性。
- 缺陷化學可在未充電狀態下改善材料性能。
- 這一發現改變了對固態材料性能的傳統看法。
- 缺陷化學為未來微電子技術開啟了新應用潛力。
在製造業中，完美通常是目標。一個微小的缺陷可能會毀壞微晶片、損壞結構梁，或影響電池單元的性能。然而，奧地利格拉茨科技大學的研究人員在一項新研究中證明，故意損壞材料或許能成為提升其性能的關鍵。這種新方法透過在鋰鈦氧化物（Li4Ti5O12 或 LTO）的晶格中創建結構缺陷，成功提高了其低離子導電性。研究人員將一條緩慢的離子通路轉變為一條開放的快速通道，這一反直覺的技巧是將單個原子抽出，留下空隙。
設計缺陷的鋰鈦氧化物（LTO）是一種先進的陽極材料，廣泛應用於鋰離子電池。由於其卓越的安全性和耐用性，LTO 取代了石墨，能實現超快速充電、極長的使用壽命（數千次循環），以及在低温下可靠運行。在其純淨且未充電的狀態下，LTO 在移動鋰離子方面表現不佳。通常，材料在充電開始後，才能成為良好的導體，因為額外的鋰離子和電子被強行注入其結構中。化學家伯恩哈德·加德馬耶和馬丁·威爾肯寧完全跳過了充電步驟，通過在一開始就直接在未充電材料的原子結構中建立缺陷來進行處理。
氧缺陷技術的實驗過程
他們在低氧條件下以 300°C（572°F）進行輕烘烤，這樣就能從晶體網格中去除單個氧原子。所產生的“氧空位”解鎖了直接嵌入晶體結構的隱藏通道。在不改變材料基本配方的情況下，缺失的原子為鋰離子提供了自由移動的空間。威爾肯寧表示：「所產生的氧空位對鋰陽離子的移動性有直接影響，將原本導電性差的材料轉變為顯著更好的導體。LTO 的例子清楚地説明瞭原子級缺陷結構對材料宏觀性能的巨大影響。」
LTO 被視為“零應變”材料，因為其晶格在鋰插入/提取過程中幾乎不會經歷體積擴張或收縮。通過低温氧空位來改變其導電性，能保持這一結構穩定性，避免其他電池材料的機械故障。為了證實離子確實在這些原子空隙中快速通過，研究團隊結合了兩種先進的分析工具：導電光譜學和核磁共振（NMR）光譜學。導電測量追蹤材料內電流的整體流動，而 NMR 光譜學則通過直接追蹤單個鋰陽離子沿新解鎖的通道的移動，提供了原子級的證據。
新方法的廣泛應用潛力
NMR 數據提供了確鑿的證據，缺失的氧原子直接觸發了新激活的擴散通道。這一發現改變了科學家對固態材料的看法。材料的性能不僅僅取決於其化學成分，內部的缺陷同樣重要。這一新方法不僅依賴於化學成分，也不再需要額外的鋰插入來提高導電性，而是利用材料的熱歷史和局部結構缺陷。威爾肯寧指出：「這一擴散通道在 LTO 結構中已經預先形成，但僅由缺陷結構激活。」
LTO 最著名的用途是用於耐用且快速充電的電池，但通過缺陷化學控制離子運動，則開啟了更廣泛的應用潛力。在微小尺度上精確調節離子流的能力，可能為下一代微電子技術鋪平道路，包括離子電子學、記憶體元件和仿生系統，這些系統旨在模擬人腦的功能。該研究已發表在《科學進展》期刊上。
項目 規格 電池容量 數千次循環 工作温度 低温
氧缺陷技術對電池技術的影響
這項研究展示了氧缺陷技術在提升鋰鈦氧化物電池性能方面的潛力，顯示出材料內部結構缺陷的重要性。通過改變材料的熱歷史，研究人員能夠在不依賴傳統充電過程的情況下，顯著提升導電性。這不僅為鋰離子電池的性能改進提供了新思路，還可能推動微電子技術的發展，開啟更多創新應用，從而影響未來的電子設備設計和功能。