由于可充電鋰離子電池具有安全性能好、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、快速充放電性能和無(wú)污染的特點(diǎn)。在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中得到了廣泛應(yīng)用。負(fù)極材料作為鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，主要包括以下幾類(lèi)：炭材料、錫基材料、硅材料、聚合物、鈦基材料和過(guò)渡金屬氧化物等。目前的商業(yè)鋰離子電池廣泛地使用傳統(tǒng)的石墨作為負(fù)極材料。該材料具有持久的循環(huán)性能、儲(chǔ)備量大和相對(duì)價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，然而石墨電極同時(shí)也存在缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)畸變、由于鋰離子擴(kuò)散系數(shù)較低而導(dǎo)致倍率性能較差、由于鋰沉積而導(dǎo)致的安全隱患等。

近年來(lái)，在金屬氧化物負(fù)極材料的研究中，具有層狀結(jié)構(gòu)或者是具有脫嵌通道結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料引起了人們的廣泛關(guān)注。尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12(LTO)是一個(gè)理想的負(fù)極材料，具有較高的電壓平臺(tái)，約1.54V，能有效抑制鋰樹(shù)狀結(jié)晶體的形成，提升了電池的安全性，但由于具有比較高的平臺(tái)電壓1.5V，降低了工作電壓區(qū)間；二氧化鈦（TiO2）材料雖然具有相對(duì)比較低的理論比容量（335mAh/g），但是這種材料在鋰離子嵌入之后體積變化非常小，同時(shí)材料具有非常好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證了材料具有優(yōu)良的倍率和循環(huán)性能。同時(shí)二氧化鈦具有比較高的工作電壓(1.3~1.8V vs.Li+/Li)，使得電池在進(jìn)行充放電過(guò)程時(shí)有效的抑制了負(fù)極

表面SEI膜的產(chǎn)生，提高了電池的安全性能，但同樣由于較高的平臺(tái)電壓減少了工作電壓；SnO2被認(rèn)為是替代商業(yè)石墨電極的理想材料，其具有低廉的價(jià)格、安全和比較高的理論容量(約782mAh/g)。然而，SnO2在鋰離子脫嵌過(guò)程中，體積的膨脹和收縮嚴(yán)重，并且伴隨嚴(yán)重的顆粒團(tuán)聚，導(dǎo)致了電極粉化和顆粒之間的接觸消失，進(jìn)而導(dǎo)致了容量的損失和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。RuO2雖然具有非常高的可逆比容量（1130mAh/g）和優(yōu)異的電導(dǎo)率，但是它的價(jià)格太過(guò)昂貴。因此開(kāi)發(fā)具有高比容量、高充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性好的新型負(fù)極材料迫在眉睫。

近來(lái)，由于一類(lèi)具有與TiO2類(lèi)似結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物（如FeNbO4）存在具有鋰離子脫嵌的通道、比炭材料具有更低的電壓而引起了人們的注意。CrTiTaO6具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，并存在Cr3+/Cr2+、Ti4+/Ti3+和Ta5+/Ta4+對(duì)而具有較低的氧化還原勢(shì)。但到目前為止還沒(méi)有對(duì)其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行表征。我們采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法成功合成了新型電池負(fù)極材料CrTiTaO6，并對(duì)其微結(jié)構(gòu)、充放電容量和循環(huán)性能等進(jìn)行了測(cè)試。

CrTiTaO6的微觀結(jié)構(gòu)

利用X射線衍射技術(shù)對(duì)CrTiTaO6的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，圖1為CrTiTaO6的XRD 圖形擬合譜，其中包括了測(cè)量譜、理論計(jì)算譜和它們的差值，擬合結(jié)果表明CrTiTaO6為四方金紅石結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的空間群為P42/mnm. CrTiTaO6的晶格參數(shù)分別為a=4.6418(1) ?，c=3.0098(1) ?. 表1 對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)，包括原子位置、擬合精度等。

圖2為單胞結(jié)構(gòu)示意圖，其中Cr、Ti和Ta隨機(jī)分布在2a 位置上。

如圖3所示，與TiO2類(lèi)似，CrTiTaO6每一個(gè)過(guò)渡金屬元素與八個(gè)氧組成八面體結(jié)構(gòu)，在ab 面上，八面體與八面體通過(guò)共頂點(diǎn)相互鏈接；沿c 方向八面體與八面體通過(guò)共棱鏈接，形成空洞結(jié)構(gòu)，為鋰離子脫嵌提供了迅速擴(kuò)撒通道。這種結(jié)構(gòu)的各向異性，一般認(rèn)為鋰離子在其中擴(kuò)散時(shí)也是各向異性的，對(duì)于ab 面內(nèi)，由于沒(méi)有快速擴(kuò)散通道，鋰離子在該方向擴(kuò)散系數(shù)較小，而鋰離子在c 軸方向上迅速擴(kuò)散。

結(jié)論

利用高溫固相反應(yīng)法合成了新型鋰離子電池負(fù)極材料CrTiTaO6，通過(guò)X射線衍射全譜擬合技術(shù)研究了該材料的微結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示其為四方結(jié)構(gòu)，空間群轉(zhuǎn)變?yōu)镻42/mnm. 過(guò)渡金屬元素與氧原子構(gòu)成八面體，八面體與八面體通過(guò)共棱或共點(diǎn)鏈接形成鋰離子脫嵌通道。電化學(xué)性能測(cè)試表明CrTiTaO6具有良好的比容量和循環(huán)性能，在0~3.0V電壓范圍內(nèi)，當(dāng)電流密度為16mA/g時(shí)，其初始放電比容量達(dá)300mAh/g，20次循環(huán)后容量始終保持在52mAh/g。