我所提出提升高比功率鋰離子電池負極材料性能的新策略

  近日,我所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員、張華民研究員、張洪章研究員團隊與燕山大學唐永福副教授團隊合作,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,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發展需求。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),極具應用發展潛力。然而,該材料在充電和放電過程中,其晶體結構會不斷發生不可逆變化,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用的主要問題。

  

  該研究團隊發現,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,可以提高晶體結構變化的均勻性,抑制晶體結構變化的不可逆性。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1000次以上,比原來提升了近10倍,并且其綜合性能優于已知的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構變化可逆性的改善。

  相關研究成果發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。上述工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中科院青年創新促進會項目等資助。(文/圖 宋子晗) 

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