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能源材料顶刊AEM：钛酸锂“双模储能”设计范式——兼得高能量与高功率密度

news 2025/8/8 10:38:03

前言

传统锂离子电池虽储能强劲，但充电缓慢；超级电容器可秒级充放电，却储能量低。这一矛盾长期制约着电动汽车、电网储能等技术的发展。而能否让单一材料兼具两者优势，成为学界攻关焦点。

近期，由麻省理工学院（MIT）Lingping Kong、Jennifer L. M. Rupp教授团队领衔，联合圣迭戈州立大学、壳牌美国研究中心等机构，在顶级期刊《Advanced Energy Materials》发表突破性研究。他们首次在钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）中发现：通过调节电压窗口，可自由切换电池型与赝电容型储能机制，实现“一材两用”。

核心内容

团队通过一系列电化学实验和结构表征，首次清晰证实钛酸锂存在两种截然不同却可共存的储锂机制，且这两种机制能通过调整工作电压精准调控：

1. 电池型机制：1.55V的“稳定储能模式”

在≈1.55V（vsLi/Li⁺）的电压区间，钛酸锂发生Li₄Ti₅O₁₂与Li₇Ti₅O₁₂的两相转变，锂离子在晶体的8a和16cWyckoff位点之间迁移，这一过程由扩散控制，属于典型的电池型 redox反应。就像“稳步储电的长跑选手”，该机制带来稳定的能量输出，且得益于钛酸锂的“零应变”特性（晶格尺寸变化仅0.77%），循环稳定性极佳。

2. 赝电容机制：近0V的“极速响应模式”

当电压降至接近0V时，锂离子重新占据8a位点，触发可逆的赝电容响应。这一过程由表面控制，动力学速度极快，表现出超级电容器的典型特征——循环伏安曲线呈现类矩形，且通过“b值分析”证实其b值≈0.90（接近1.0，代表表面控制主导），远高于电池模式的b值≈0.50（代表扩散控制主导）。

性能实测：高容量与高倍率的“两全其美”

凭借双重机制，钛酸锂展现出卓越性能：在20mA/g的低电流下，可逆容量高达≈215mAh/g；即便在2000mA/g的高电流下（快速充电场景），仍能保持148mAh/g的容量。更重要的是，经过100次循环后容量保持率达90.1%，5000次高倍率循环后仍留存80%容量，充分验证了其结构稳定性。

结语

“钛酸锂的双模特性如同为储能装置安装了‘智能开关’。”论文通讯作者Rupp教授比喻道，“它让人类在能源‘鱼与熊掌’的抉择中，第一次真正握有主动权。”

这项研究不仅刷新了对钛酸锂的认知，更开辟了“电压可编程”智能储能材料的新赛道。未来，随着材料设计与系统集成的优化，我们或将在电动汽车快充站、电网调频电站中，见证这一“双面魔法”的大规模应用。