這些空位啟用了一條預先形成、此前被阻塞的鋰陽離子遷移路徑，將純 LTO 轉變為優異的離子導體快速。
在製造業中，完美通常是目標快速。單個微觀缺陷就可能毀掉一枚微晶片、使結構梁開裂，或損害電池電芯。但在一項新研究中，奧地利格拉茨技術大學（TU Graz）的研究人員證明，故意損傷一種材料，或許恰恰是大幅提升其效能的關鍵。
一種新方法透過在晶體晶格中製造結構缺陷，提高了原始鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂，簡稱 LTO）原本較低的離子電導率快速。研究人員透過一種反直覺的方法——抽走單個原子、在其原位留下空位——將一條遲緩的離子通道轉變為暢通的快速通道。
有意設計的缺陷
鈦酸鋰（LTO）是一種用於鋰離子電池的先進負極材料快速。它以卓越的安全性和耐久性著稱，可替代石墨，實現超快速充電、極長的使用壽命（數千次迴圈）以及低溫下的可靠執行。
在純淨、未充電的狀態下，原始 LTO 傳輸鋰離子的能力很差快速。通常，這種材料只有在開始充電後、額外的鋰離子和電子被壓入其結構之後，才會成為良好的導體。
化學家 Bernhard Gadermaier 和 Martin Wilkening 完全跳過了充電步驟，並從一開始就透過構築缺陷，對未充電材料的原子結構進行了改造快速。只需在低氧條件下以 300°C（572°F）溫和烘烤，就能從晶體網格中剝離單個氧原子。
由此產生的“氧空位”打通了一條直接內建於晶體結構中的隱藏傳輸通道快速。在不改變材料基本化學式的情況下，缺失的原子為鋰離子提供了自由移動所需的空間。
“由此產生的氧空位直接影響鋰陽離子的遷移率，將原本較差的離子導體轉變為明顯更好的導體快速。LTO 的例子清楚地表明，原子尺度的缺陷結構會對材料的宏觀效能產生巨大影響，” Wilkening 說。
LTO 被譽為“零應變”材料，因為其晶格在鋰嵌入/脫出過程中幾乎不發生體積膨脹或收縮快速。透過低溫氧空位來調節其電導率，可保持這種結構穩定性，防止其他電池材料常發生的機械失效。
證明缺陷確實有效
為了確認離子確實在這些原子間隙中加速遷移，團隊結合了兩種先進分析手段：電導譜和核磁共振（NMR）譜快速。
電導測量追蹤了電流在材料中的整體宏觀流動，而 NMR 譜則透過直接追蹤單個鋰陽離子沿新打通路徑的移動，提供了放大到原子尺度的證據快速。
NMR 資料提供了確鑿證據：缺失的氧原子直接觸發了新啟用的擴散路徑快速。
這一發現改變了科學家對固態材料的看法快速。材料的效能不僅取決於其化學成分，其內部缺陷同樣重要。
這種新方法不再僅僅依賴化學成分，也不需要透過額外嵌入鋰來提高電導率，而是利用材料的熱歷史和區域性結構缺陷快速。
“這條擴散路徑在 LTO 結構中已經預先形成，但只有透過缺陷結構才會被啟用，” Wilkening 指出快速。
LTO 最廣為人知的是它在耐用、快充電池中的作用，但透過缺陷化學控制離子運動開闢了更廣闊的應用前景快速。
在微小尺度上精細調控離子流的能力，可能為下一代微電子器件鋪平道路，包括旨在模擬人腦的離子電子學、憶阻和神經形態系統快速。
這項研究已發表在《Science Advances》期刊上快速。
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