通常，固态材料在加热时会膨胀，在冷却时会收缩。然而，也有例外，如锂钛磷酸盐，在较冷的温度下实际上会膨胀。这一独特特性可能有助于缓解锂离子电池在寒冷条件下性能显著下降的问题。中国团队在《应用化学》杂志上发表的一项最新研究证实了它作为可充电电池电极材料的潜力。
锂离子和其他金属离子可充电电池为我们的移动设备、车辆提供动力，并存储来自太阳能和风能等可再生能源。它们在温暖的条件下有效运行，但在低温下性能往往显著下降，为电动汽车、航空航天应用和军事使用带来挑战。为应对这一问题的策略，如增加集成加热系统、改善电解质或使用专用电极涂层，通常会导致成本增加和生产复杂性，或导致性能下降。
导致寒冷环境下性能差的一个关键因素是锂离子在电极材料中的移动速度减缓。来自东华大学、上海复旦大学和呼和浩特的内蒙古大学的研究人员提出了一种新的解决方案：利用具有负热膨胀（NTE）特性的电化学能量储存材料制成的电极，如锂钛磷酸盐（LiTi2(PO4)3，或LTP）。由Liming Wu、Chunfu Lin和Renchao Che领导的团队展示了具有NTE特性的电极材料即使在低温下也能有效工作，以LTP作为模型材料。
研究涉及分析晶体结构，揭示出由TiO6八面体和PO4四面体构成的三维框架，形成开放且灵活的结构，包含“腔体”和“通道”以容纳锂离子。当温度降低时，该结构沿晶体轴向一个方向膨胀。通过光谱测量和电子显微镜分析以及计算机建模，研究人员发现低温改变了原子的振动模式。这一变化增强了某些氧原子的特定横向振动，增大了它们之间的距离，从而扩大了腔体。这一修改有助于锂离子的存储和运输。在−10 °C时，锂离子的扩散速率仍保持在25 °C时观测到速率的84%，证明了其有效性。此外，在−10 °C下对碳涂层LTP进行的电化学测试表现出显著的性能，具有高容量、快速充放电能力，且在经历1000次充放电循环后容量保持良好。
因此，具有负热膨胀的材料在锂离子电池的电极材料方面显示出巨大的应用前景，特别是在寒冷环境中。
