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鋰離子電池（LIBs）作為重要的能源存儲設(shè)備，因其高能量密度和長服務(wù)壽命而受到廣泛關(guān)注。隨著對快速充電技術(shù)需求的增加，開發(fā)具有高倍率性能的電極材料變得尤為關(guān)鍵。目前，石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料雖然理論容量較高，但其較低的倍率性能和較大的初始容量損失，難以滿足高倍率和高能量密度設(shè)備的需求。此外盡管Li4Ti5O12電具有循環(huán)穩(wěn)定性，但其理論容量較低，限制了LIBs的能量密度。因此開發(fā)具有高容量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的高倍率電極材料對于發(fā)展快速充電和長壽命的LIBs至關(guān)重要。

在眾多研究中，五氧化二鈮（Nb2O5）因其超快的鋰存儲動力學(xué)而受到關(guān)注，展現(xiàn)出作為高倍率LIBs負(fù)極的潛力。特別是正交晶系的五氧化二鈮（T-Nb2O5）被發(fā)現(xiàn)具有與鋰離子的插層電化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)出偽電容特性。然而Nb2O5的電子導(dǎo)電性較低，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際容量和倍率性能。為了提高Nb2O5的導(dǎo)電性和倍率性能，研究者們設(shè)計了特定的Nb2O5納米結(jié)構(gòu)，并通過金屬離子摻雜、自摻雜和引入氧缺陷等策略來改善其電子導(dǎo)電性。盡管如此，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些主要限制，例如容易聚集、較大的比表面積伴隨著更多的副反應(yīng)和穩(wěn)定性差等問題。此外，大多數(shù)研究為了避免在低截止電壓下出現(xiàn)極化和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等不良影響，通常在1.0-3.0 V的電位窗口內(nèi)進(jìn)行，但這無疑會導(dǎo)致容量降低。因此，開發(fā)一種有效的策略，以實(shí)現(xiàn)T-Nb2O5在0.01-3.0 V電位窗口內(nèi)的全部潛力，是提高其在快速充電應(yīng)用中性能的關(guān)鍵。

針對上述問題，由武漢理工大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技TEM原位測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。該團(tuán)隊(duì)通過鋁摻雜的方法，成功制備了嵌入在氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)中的微米級鋁摻雜正交晶系五氧化二鈮（Al-Nb2O5@NC）微球。相關(guān)成果以“Al-doped Nb2O5/carbon micro-particles anodes for high rate lithium-ion batteries”發(fā)表在《Electrochimica Acta》期刊上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141796

這篇論文的主要研究內(nèi)容集中在開發(fā)一種新型的鋁摻雜的正交晶系五氧化二鈮（Al-Nb2O5）與氮摻雜碳（NC）復(fù)合微球材料（Al-Nb2O5@NC），并將其應(yīng)用于高倍率性能的鋰離子電池（LIBs）負(fù)極。研究團(tuán)隊(duì)通過溶熱法和煅燒法成功合成了Al-Nb2O5@NC微球，并通過一系列實(shí)驗(yàn)方法，如X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、能量色散X射線光譜（EDS）和X射線光電子能譜（XPS）等，對材料的晶體結(jié)構(gòu)、形貌、元素價態(tài)和組成進(jìn)行了詳細(xì)表征。

圖 Al-Nb2O5@NC的特性表征

研究發(fā)現(xiàn)，鋁摻雜不僅增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還顯著提升了離子和電子的傳導(dǎo)性。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減少了Nb在循環(huán)過程中的遷移，從而在高倍率充放電條件下保持了穩(wěn)定的容量。通過原位透射電子顯微鏡（in-situ TEM）觀察，驗(yàn)證了Al-Nb2O5@NC在鋰離子插層過程中具有更好的晶體完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖  Al-Nb2O5@NC在鋰化過程中的形貌和微觀結(jié)構(gòu)演變

電化學(xué)測試結(jié)果表明，Al-Nb2O5@NC作為LIBs負(fù)極材料，展現(xiàn)出了高倍率充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。即使在高達(dá)20 A g?1的電流密度下，經(jīng)過9900個循環(huán)后，其容量仍能保持在約82 mAh g?1。此外，通過循環(huán)伏安測試（CV）和電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析，研究團(tuán)隊(duì)還探討了Al-Nb2O5@NC的電化學(xué)動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)其具有較高的贗電容貢獻(xiàn)率，這進(jìn)一步證實(shí)了材料快速的鋰離子存儲能力。

圖 循環(huán)后Al-Nb2O5@NC的結(jié)構(gòu)演變

綜上，這項(xiàng)研究通過鋁摻雜和氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，為構(gòu)建具有高比容量、穩(wěn)定性和優(yōu)異倍率性能的快速充放電鋰離子電池負(fù)極材料提供了一種有效的材料設(shè)計和合成策略。