李驰麟研究员团队提出快充负极导电网络优化的原位电化学转换策略

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目前储能市场对锂离子电池的快充性能提出了更高的要求，当前商业电池的快充目标为15分钟内完成80%的充电，但商业石墨负极因其较低的电化学平台，在反复充放电过程中容易生长锂枝晶而导致电池短路。正交相的五氧化二铌（T-Nb2O5）具有由NbO6和NbO7两种多面体共顶点或者共边连接构成的层状结构，这种稳定的房柱式（room and pillar）框架结构保证了T-Nb2O5可以高占比的体相赝电容效应进行储锂，然而，T-Nb2O5较低的电子电导率和接触不充分的导电配线方式限制了其电化学性能的发挥。
　　针对铌基氧化物负极的上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所李驰麟研究员联合上海大学陈双强教授和上海硅酸盐所刘建军研究员团队提出一种通过电化学转换反应原位优化颗粒内部导电网络的策略，其诱导生成的NbO导电晶域可作为内置的电子配线，结合变价金属离子掺杂、聚多巴胺（PDA）蝥合包覆等手段，可实现活性物质从表面到体相的三重尺度的配线网络构建。改性后的T-Nb2O5展现出优异的快充性能和稳定循环。相关成果以“Triple Conductive Wiring by Electron Doping, Chelation Coating and Electrochemical Conversion in Fluffy Nb2O5 Anodes for Fast-Charging Li-Ion Batteries”为题发表于Advanced Science, 2022, 9, 2202201。

电子掺杂

通过电子掺杂、蝥合包覆、电化学转换的三重导电配线作用助力基于蓬松铌基氧化物负极的快充锂离子电池。

　　通过水热法利用有机无机络合反应，在T-Nb2O5中均匀掺杂Co、Mn等低价元素，缓解NbOx多面体因Jahn-Teller效应而产生的扭曲，同时诱导氧缺陷的引入和电子掺杂。PDA与Nb之间的螯合作用可以促进PDA层对T-Nb2O5颗粒表面的均匀包覆和刻蚀，使微米尺寸的T-Nb2O5演化成珊瑚状蓬松颗粒组成的多孔球结构，有利于电解液的渗透和浸润，PDA碳化后形成的超薄保形非晶碳层（1-2 nm）进一步构建了贯通的电子配线网络。在1-3 V电压区间，锂离子嵌入会引起T-Nb2O5层间距的增大；当Li嵌入量达到饱和后，在0.4-1 V区间的过量放电会引起晶面间距进一步不可逆增大，导致小部分T-Nb2O5转变为NbO/LixNbyOz的非晶岩盐相结构。NbO（电子电导率4.8×104 S/cm）的原位电化学引入更是加强了电子配线在T-Nb2O5颗粒内部的全域供给。不同尺度下的电子-离子配线协同作用使得改性的 T-Nb2O5 负极在1 A g-1电流密度下，在长达8500次循环后，仍然具有143 mAh g-1的可逆容量；其在高达10.0 A g-1的大电流密度下的容量仍可维持在144.1 mAh g-1；高载量的T-Nb2O5 (4.5 mg cm-2) 在150次循环后仍然可释放0.668 mAh cm-2 的高面容量。NbO配线的T-Nb2O5/NCM811全电池的组装和运行证明了这种岩盐相复合快充负极的实用性。  
　　  该团队前期已报道了一系列Nb基氧化物材料作为快充电池负极，提出了四方钨青铜相的隧道型开框架结构KNb2O5F作为负极材料（Chem. Mater. 2016, 28, 3139），提出四方钨青铜衍生晶域（KNb6O15F）配线修饰对商业高温相H-Nb2O5快充性能的升级效应（Energy Storage Mater. 2018, 11, 152），提出T-Nb2O5-x中氧空位浓度调控及微氧泵缺陷修复策略（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107060）。
　　该研究工作得到了国家自然科学基金委和上海市科委等项目的资助和支持。
　　文章链接： https://doi.org/10.1002/advs.202202201
       文章来源：上海硅酸盐所
       李驰麟，男，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，“中科院百人计划”入选者。2003年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，获工学学士；2008毕业于复旦大学物理化学专业, 获理学博士；同年进入德国马普固体研究所从事储能电池材料和固态离子学方面的研究；2013年加入上海硅酸盐研究所工作。在新型储能材料的结构合成设计、电化学反应机制、纳米离子学、镁电池和固态电池等方面作出系列创新成果。多次受邀在国际固态离子学会议、国际氟化学会议、中国材料大会、全国电化学大会、全国固态离子学会议、全国储能科学与技术大会等会议上作邀请报告。在SCI源期刊中发表论文50篇，包括以第一作者或通讯作者的JACS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.(6篇)、Adv. Energy Mater.、ACS Nano(3篇)、Nano Lett.、Chem. Mater. (2篇)、J. Mater. Chem. A(4篇) 等。授权PCT国际专利和美国专利1项，授权中国专利3项，在申中国专利6项。担任Nat. Commun.、JACS、ACS Nano、Chem.Mater.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Mater.Horizons、Nano Energy等期刊特约审稿人。担任Sci.Rep.编委和Chin.Chem.Lett.青年编委。