三通讯单位联发EES：用于大功率锂电池的具有剪切结构和平面缺陷的铌氧化物

开发具有高倍率能力的负极材料对于大功率锂电池至关重要。据报道，T-Nb₂O₅表现出赝电容行为和快速的锂存储能力。然而，在更高温度下制备的Nb₂O₅其他晶型可能实现比T-Nb₂O₅更高的比容量和振实密度，从而提供更高的体积功率/能量密度。

在此，美国佐治亚理工学院刘美林教授、赵伯特，东北大学宋焱焱教授以及韩国浦项科技大学Min Gyu Kim等人通过调整煅烧温度设计并制备了一种具有丰富Wadsley平面缺陷的微米级H-Nb₂O₅（记为d-H-Nb₂O₅），系统地研究了这些缺陷对其电化学性能的影响。

结果表明，在最佳温度（即 950 ℃）下制备的有缺陷的d-H-Nb₂O₅表现出比结晶良好的H-Nb₂O₅高得多的插层能力。[NbO₆]八面体块体局部重排的H-Nb₂O₅在比容量、倍率性能和稳定性方面都超过了具有更小粒径的T-Nb₂O₅，这通过在operando X射线吸收近边结构光谱 (XANES) 中d-H-Nb₂O₅锂化时铌离子化合价的更广泛变化和更大的可逆结构变化得到证实。

图1. 不同Nb₂O₅电化学性质的研究

此外，Operando扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS)、异位XRD和拉曼光谱表明，在这种剪切结构中强烈的锂吸附会导致变形以在高锂浓度下容纳更多的锂，电池体积在两相区呈现各向异性变化，a-c面收缩受剪切面约束，b方向沿锂扩散路径膨胀。

DFT计算表明，由于锂离子在缺陷上的强吸附能，使得d-H-Nb₂O₅具有较高的插层能力。由平面缺陷形成的d-H-Nb₂O₅的开放结构通过锂化后的轴向膨胀缓解了应变的积累，从而获得了良好的电池耐久性。

这项工作的发现为通过缺陷工程设计微米尺寸的快速锂离子存储材料提供了新的见解，该策略适用于其他能源相关应用的材料发现。

图2. T-Nb₂O₅和d-H-Nb₂O₅的XANES分布图

图3. 不同Nb₂O₅锂化相的俯视图和侧视图

A Niobium Oxide with Shear Structure and Planar Defects for High-Power Lithium Ion Batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02664J

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三通讯单位联发EES：用于大功率锂电池的具有剪切结构和平面缺陷的铌氧化物

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