隨著鋰離子電池在電動車、航空以及寒冷氣候下的能源系統中越來越多地應用，其在零下條件下的性能已成為一個關鍵的技術瓶頸。在室溫下，快速充電已經是個挑戰，而低溫則加劇了動力學的限制，導致鋰在石墨負極上沉積，顯著降低可用容量。雖然像 Li₄Ti₅O₁₂ 這樣的替代負極提供了改進的安全性，但其低理論容量卻嚴重限制了能量密度。克服這一負極困境對於設計極端環境下的下一代電池至關重要。
來自哈爾濱工業大學的研究團隊，由張炎教授和樓帥峰教授領導，已經證明通過目標雙元素摻雜的晶體工程可以根本改變鈦鉭酸鹽（TiNb₂O₇，TNO）中的離子和電子傳輸，實現低至 −30 °C 的快速充電和長壽命鋰離子電池。他們的研究成果發表在《Nano-Micro Letters》上，為實驗室材料創新與真實電池應用之間架起了一座橋樑。
TiNb₂O₇ 為何重要及其不足之處一直以來，TiNb₂O₇ 被視為一個有前景的負極候選材料，因其相對較高的理論容量（約 387 mAh g⁻¹）、安全的工作電壓能抑制鋰沉積，以及堅固的結構穩定性。然而，其實際應用受到兩個內在弱點的限制：電子導電性差及鋰離子擴散速度慢，而這些問題在低溫下變得更加嚴重。這些動力學障礙限制了速率能力，並在快速充電或寒冷氣候條件下大幅降低可用容量。
研究團隊採取的策略是晶體工程，而非依賴表面塗層或納米縮小技術—這些常常會引入製造複雜性和副反應。研究人員直接修改 TNO 的原子結構，以改善內部的電荷傳輸。
在雙摻雜策略中，團隊使用單步固態合成路徑，將銻（Sb⁵⁺）和鉭（Nb⁵⁺）作為共摻雜劑引入 TNO 晶格。商業化的 Sb₂O₃ 和 Nb₂O₅ 在高溫下於常規空氣中反應，產生均勻的棒狀 TNO 晶體，尺寸範圍從 500 nm 到 2 µm，且無可檢測的副相。為了驗證工程結構的穩定性，研究人員使用原位 X 射線衍射追蹤電化學循環中的相變化。Sb/Nb 摻雜的 TNO 依次遵循可逆固溶體 → 兩相 → 固溶體的機制，未見不可逆相轉變的跡象。
先進的同步輻射三維納米計算機斷層掃描進一步確認了材料的耐用性。即使在 −30 °C 下經歷 500 次充放電循環，棒狀晶體仍保持無裂紋，顯示出晶體工程所賦予的機械韌性。
Sb/Nb 摻雜的 TiNb₂O₇ 的成功展示了晶體工程作為一種通用設計哲學的力量。通過精確調整電子結構、離子遷移路徑和晶格穩定性，可以克服長期存在的動力學障礙，而不會影響安全性或可擴展性。由於這些摻雜劑豐富且合成使用傳統的固態加工，且不需要惰性氣氛，這種方法與現有的千兆工廠基礎設施相吻合，使該材料成為電動車、航空系統及極寒環境下電網儲存的強有力候選者。
