近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒、張華民、張洪章團隊與燕山大學副教授唐永福團隊合作，在高比功率鋰離子電池負極材料的研究方面取得新進展。
五氧化二鈮具有較高的比容量和較高的鋰離子體相擴散系數(shù)，可作為高比功率鋰離子電池的負極材料，以滿足快速充電和快速放電的技術(shù)發(fā)展需求。其中，高溫相五氧化二鈮（即H型Nb2O5）的比容量最高，達到250 mAh/g（1.0至3.0 V vs Li+/Li），極具應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。然而，該材料在充電和放電過程中，其晶體結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)生不可逆變化，生成一類不適合鋰離子快速嵌入和脫出的晶相，從而引起鋰離子電池的容量衰減。這成為限制H型Nb2O5作為鋰電池負極材料應(yīng)用的主要問題。
該研究團隊發(fā)現(xiàn)，提高電子和離子在H型Nb2O5晶體表界面的輸運均勻性，是解決上述問題的有效策略。通過對微米級H型Nb2O5單晶進行均勻無定型碳層的包覆，可以提高晶體結(jié)構(gòu)變化的均勻性，抑制晶體結(jié)構(gòu)變化的不可逆性。碳包覆的H型Nb2O5，可在2000 mA/g的大電流充電和放電的工況下循環(huán)1000次以上，比原來提升了近10倍，并且其綜合性能優(yōu)于已知的Li4Ti5O12材料和其他Nb2O5材料。此外，該團隊將X射線衍射、透射電子顯微鏡與電化學表征原位結(jié)合，對鋰離子在H型Nb2O5晶體材料中的嵌入-脫出行為進行了深入研究，驗證了無定型碳層對晶體表界面電子和離子輸運均勻性及結(jié)構(gòu)變化可逆性的改善。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、中科院青年創(chuàng)新促進會項目等資助。
引入無定型碳層對H型Nb2O5晶體表界面電子和離子輸運均勻性及結(jié)構(gòu)變化可逆性的改善策略示意圖
