三流体喷嘴火焰喷雾热解法制备Li4Ti5O12纳米颗粒及其在锂离子电池中的应用突破

【编辑推荐】本研究针对传统火焰喷雾热解法（FSP）中前驱体均质性差、材料兼容性受限等问题，创新性地采用三流体喷嘴（3FN）技术合成锂离子电池关键材料Li4Ti5O12（LTO）纳米颗粒。通过优化前驱体进料速率和Li/Ti比例，显著提升颗粒相纯度和结晶度，为规模化生产高性能纳米材料提供新策略。

　　

研究背景与意义

锂离子电池（LIBs）作为现代能源存储的核心技术，其性能高度依赖电极材料的微观结构。Li₄Ti₅O₁₂（LTO）因优异的循环稳定性和安全性被视为理想负极材料，但传统合成方法面临前驱体混合不均、颗粒形貌失控等挑战。火焰喷雾热解法（Flame Spray Pyrolysis, FSP）虽能高效制备纳米材料，但常规双流体喷嘴难以兼容化学性质差异大的前驱体，导致材料纯度不足。

研究方法与技术

日本研究团队设计了三流体喷嘴（3FN）FSP系统，通过独立控制两条前驱体通道（钛/锂盐分别溶于乙醇）和分散气体流，实现原位混合与高效雾化。采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析晶体结构与形貌，结合燃烧状态观测优化工艺参数。

研究结果

1. 火焰特性与稳定性
3FN形成的双火焰流在喷嘴尖端碰撞融合（图2），产生均匀高温区，确保前驱体充分反应。相比传统FSP，3FN系统火焰稳定性提升30%，避免未燃液滴导致的杂质生成。

2. 材料结构与性能
调节Li/Ti摩尔比至0.8时，XRD显示纯尖晶石相LTO（图3），结晶尺寸缩小至25 nm。TEM证实颗粒呈球形且分散性良好（图4），比表面积达85 m²/g，有利于锂离子快速嵌入/脱出。

3. 工艺优化机制
双前驱体独立进料避免溶液相容性问题，乙醇燃料同步提供燃烧热能。当总进料速率达5 mL/min时，产物碳含量低于1.5wt%，满足电池应用要求。

结论与展望

3FN-FSP技术突破了传统FSP的材料限制，为多组分纳米材料合成提供新范式。该工作发表于《Powder Technology》，不仅推动LTO产业化进程，其模块化设计还可拓展至硫化物、金属合金等体系，助力下一代能源材料开发。