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、快速充放電性能和無污染的特點。在電動汽車和混合動力汽車中得到了廣泛應用。負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：炭材料、錫基材料、硅材料、聚合物、鈦基材料和過渡金屬氧化物等。目前的商業(yè)鋰離子電池廣泛地使用傳統(tǒng)的石墨作為負極材料。該材料具有持久的循環(huán)性能、儲備量大和相對價格低廉等優(yōu)點，然而石墨電極同時也存在缺點，如結(jié)構(gòu)畸變、由于鋰離子擴散系數(shù)較低而導致倍率性能較差、由于鋰沉積而導致的安全隱患等。

近年來，在金屬氧化物負極材料的研究中，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)是一個理想的負極材料，具有較高的電壓平臺，約1.54V，能有效抑制鋰樹狀結(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)，使得電池在進行充放電過程時有效的抑制了負極

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電壓減少了工作電壓；SnO2被認為是替代商業(yè)石墨電極的理想材料，其具有低廉的價格、安全和比較高的理論容量(約782mAh/g)。然而，SnO2在鋰離子脫嵌過程中，體積的膨脹和收縮嚴重，并且伴隨嚴重的顆粒團聚，導致了電極粉化和顆粒之間的接觸消失，進而導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)異的電導率，但是它的價格太過昂貴。因此開發(fā)具有高比容量、高充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性好的新型負極材料迫在眉睫。

近來，由于一類具有與TiO2類似結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物（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具有類似的結(jié)構(gòu)，并存在Cr3+/Cr2+、Ti4+/Ti3+和Ta5+/Ta4+對而具有較低的氧化還原勢。但到目前為止還沒有對其結(jié)構(gòu)和電化學性能進行表征。我們采用傳統(tǒng)固相反應法成功合成了新型電池負極材料CrTiTaO6，并對其微結(jié)構(gòu)、充放電容量和循環(huán)性能等進行了測試。

CrTiTaO6的微觀結(jié)構(gòu)

利用X射線衍射技術(shù)對CrTiTaO6的微結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析，圖1為CrTiTaO6的XRD 圖形擬合譜，其中包括了測量譜、理論計算譜和它們的差值，擬合結(jié)果表明CrTiTaO6為四方金紅石結(jié)構(gòu)，對應的空間群為P42/mnm. CrTiTaO6的晶格參數(shù)分別為a=4.6418(1) ?，c=3.0098(1) ?. 表1 對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了總結(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隨機分布在2a 位置上。

如圖3所示，與TiO2類似，CrTiTaO6每一個過渡金屬元素與八個氧組成八面體結(jié)構(gòu)，在ab 面上，八面體與八面體通過共頂點相互鏈接；沿c 方向八面體與八面體通過共棱鏈接，形成空洞結(jié)構(gòu)，為鋰離子脫嵌提供了迅速擴撒通道。這種結(jié)構(gòu)的各向異性，一般認為鋰離子在其中擴散時也是各向異性的，對于ab 面內(nèi)，由于沒有快速擴散通道，鋰離子在該方

向擴散系數(shù)較小，而鋰離子在c 軸方向上迅速擴散。

結(jié)論

利用高溫固相反應法合成了新型鋰離子電池負極材料CrTiTaO6，通過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. 過渡金屬元素與氧原子構(gòu)成八面體，八面體與八面體通過共棱或共點鏈接形成鋰離子脫嵌通道。電化學性能測試表明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)，當電流密度為16mA/g時，其初始放電比容量達300mAh/g，20次循環(huán)后容量始終保持在52mAh/g。