刘建军等提出微氧泵缺陷修复策略助力快充电池

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目前商业锂离子电池的能量密度和充电速度仍无法满足更广阔市场的需求。商业电池的快充目标为15分钟内完成80%的充电，现阶段石墨负极因其较低的电化学平台，在反复的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可以凭高赝电容效应的方式储锂。然而，T-Nb2O5较低的电子电导率限制了其电化学性能的发挥，增大了电位极化并使动力学过程缓慢。

O-g-C3N4补氧机理及T-Nb2O5-x在5C倍率下的长循环性能对比

缺陷型T-Nb2O5-x的结构分析及能带计算

T-Nb2O5-x的面容量优势及其全电池性能

　　针对T-Nb2O5电导率不足的问题，中国科学院上海硅酸盐研究所李驰麟研究员团队提出了一种新型的氧缺陷诱导策略及微氧泵缺陷修复补氧机制，利用酸溶液中H+与非晶态Nb2O5·nH2O之间的路易斯酸碱交互引入缺陷结构，退火后即可产生含氧缺陷的T-Nb2O5-x，进而利用氧掺杂的石墨化氮化碳（O-g-C3N4）作为微氧泵修补氧化铌中过多的缺陷结构。这种诱导和修补缺陷的方法可控地调节了T-Nb2O5-x中的氧缺陷浓度，在提高电导率的同时，稳定了层状结构，实现了T-Nb2O5-x作为锂离子电池负极在大电流密度下的超长稳定循环。相关成果以“Defect-Concentration-Mediated T-Nb2O5 Anodes for Durable and Fast-Charging Li-Ion Batteries”为题发表于Advanced Functional Materials 2021, 2107060, DOI: 10.1002/adfm.202107060。
　　氧缺陷的引入使T-Nb2O5-x的电子电导率相比T-Nb2O5提高了一个数量级。理论计算和同步辐射均表明氧缺陷的引入使NbO7五角双锥向NbO6四角双锥转变，这种转变会引起层内Nb-O-Nb键的重排，同时少量Nb4+的形成在不破坏晶格结构的同时降低了由Jahn-Teller效应带来的扭曲，缓解了T-Nb2O5内部的晶格应力。根据PDOS计算以及紫外-可见-红外吸收光谱的推算结果，T-Nb2O5-x的能带要明显低于T-Nb2O5的能带，证实了T-Nb2O5-x具有更高电导率。根据第一性原理建模，氧缺陷的位点最有可能位于铌氧多面体层间的Nb-O-Nb处。
　　O-g-C3N4微氧泵在高温下会气化，这有利于氧原子释放并在缺陷位点上补充；O-g-C3N4也可以作为T-Nb2O5-x生长的自牺牲模板而构建多孔的大片电极网络。经微氧泵调节后，T-Nb2O5-x的氧缺陷浓度从19 μmol/g降低到0.31 μmol/g。缺陷修补后的T-Nb2O5-x表现出优异的循环稳定性，在5C大倍率下循环1100圈后的容量仍保持在164 mAh/g，在25 C的超高倍率下仍可释放104 mAh/g的容量。重缺陷型的T-Nb2O5-x在4 mg/cm2的高载量下可实现0.74 mAh/cm2的面容量。T-Nb2O5-x/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全电池表现出高的电位平台(2.12 V)和大的比容量(229 mAh/g)，证明了这种快充负极材料的实用性。氧缺陷调制策略为开发新型氧化物电极用于快充型和耐用型锂离子电池提供了一种新思路。
　　论文的第一作者为在读博士生郑勇健，合作作者包括上海硅酸盐所刘建军研究员和上海交通大学祖丽皮亚·沙地克长聘副教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202107060


         文章来源：上海硅酸盐所
        刘建军，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。2002年博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2002年在德国马普所做访问学者，2003年1月赴美国Emory埃莫瑞大学的科学计算中心从事博士后研究工作，2005年后在美国南伊利诺伊大学做助理科学家，2012年开始在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。主要利用材料基因工程理论方法研究无机材料的组成-结构-性能关系，开展材料结构设计与性能优化计算与实验研究。