武汉理工&特温特大学AEM: 用于高倍率锂离子电池的铌酸镍负极

快速充电是下一代锂离子电池的关键要求之一，但典型电极材料的锂离子扩散速率有限。活性电极材料的纳米化是提高锂离子有效扩散传输速率的常用策略，但它也会降低电池的体积能量/功率密度和稳定性。

在此，武汉理工大学孙丛立及荷兰特温特大学Mark Huijben等人首次证明铌酸镍NiNb₂O₆是一种新的本征高倍率锂离子电池负极材料，而无需采用纳米结构。

NiNb₂O₆主体晶体结构仅表现出单一类型的锂离子插层通道，导致在充放电循环期间在1.6~1.7 V处出现单一电压平台。所有过渡金属离子（Ni、Nb）的氧化使该结构能够在低电流密度下以约244 mAh g^-1的容量完全锂化至Li₃NiNb₂O₆。

此外，铌酸镍表现出10^-12 cm² s^-1的高扩散系数且能够在高电流密度下进行快速充放电，从而在 1、5、10和100C下分别获得220、165、140和 50 mAh g^-1的高容量。

图1. NiNb₂O₆负极材料的高倍率性能

研究表明，锂化过程中最小的体积变化是NiNb₂O₆稳定可逆锂化过程的根本原因，并导致在100C下20000次循环后容量保持率为81%。

最后，基于LiFePO₄（LFP）和 NCM811正极的全电池系统证明了铌酸镍负极在实际电池设备中具有良好的储能性能。

这项研究表明NiNb₂O₆是一种固有的高倍率负极材料，不需要像许多钛和铌基氧化物那样通过复杂的合成过程实现纳米结构，以最小化锂扩散的长度尺度。

图2. LFP/NCM811 |NiNb₂O₆全电池的电化学性能

Nickel Niobate Anodes for High Rate Lithium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102972

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