顆粒在線訊：目前，商業(yè)鋰離子電池的能量密度和充電速度無法滿足更廣闊的市場(chǎng)需求。商業(yè)電池的快充目標(biāo)為15分鐘內(nèi)完成80%的充電，現(xiàn)階段石墨負(fù)極因其較低的電化學(xué)平臺(tái)，在反復(fù)的充放電過程中易生長(zhǎng)鋰枝晶而導(dǎo)致電池短路。正交相的五氧化二鈮（T-Nb2O5）具有由NbO6和NbO7兩種多面體共頂點(diǎn)或共邊連接構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，這種穩(wěn)定的房柱式（room and pillar）框架結(jié)構(gòu)保證了T-Nb2O5可以憑高贗電容效應(yīng)的方式儲(chǔ)鋰。然而，T-Nb2O5較低的電子電導(dǎo)率限制其電化學(xué)性能的發(fā)揮，增大電位極化并使動(dòng)力學(xué)過程緩慢。 

　　針對(duì)T-Nb2O5電導(dǎo)率不足的問題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團(tuán)隊(duì)提出了新型的氧缺陷誘導(dǎo)策略及微氧泵缺陷修復(fù)補(bǔ)氧機(jī)制，利用酸溶液中H+與非晶態(tài)Nb2O5·nH2O之間的路易斯酸堿交互引入缺陷結(jié)構(gòu)，退火后即可產(chǎn)生含氧缺陷的T-Nb2O5-x，進(jìn)而運(yùn)用氧摻雜的石墨化氮化碳（O-g-C3N4）作為微氧泵修補(bǔ)氧化鈮中過多的缺陷結(jié)構(gòu)。這種誘導(dǎo)和修補(bǔ)缺陷的方法可控地調(diào)節(jié)了T-Nb2O5-x中的氧缺陷濃度，在提高電導(dǎo)率的同時(shí)，穩(wěn)定了層狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了T-Nb2O5-x作為鋰離子電池負(fù)極在大電流密度下的超長(zhǎng)穩(wěn)定循環(huán)。相關(guān)研究成果以Defect-Concentration-Mediated T-Nb2O5 Anodes for Durable and Fast-Charging Li-Ion Batteries為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。 

　　氧缺陷的引入使T-Nb2O5-x的電子電導(dǎo)率相比T-Nb2O5提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。理論計(jì)算和同步輻射均表明，氧缺陷的引入使NbO7五角雙錐向NbO6四角雙錐轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變引起層內(nèi)Nb-O-Nb鍵的重排，少量Nb4+的形成在不破壞晶格結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低了由Jahn-Teller效應(yīng)帶來的扭曲，緩解了T-Nb2O5內(nèi)部的晶格應(yīng)力。根據(jù)PDOS計(jì)算及紫外-可見-紅外吸收光譜的推算結(jié)果，T-Nb2O5-x的能帶要明顯低于T-Nb2O5的能帶，證實(shí)了T-Nb2O5-x具有更高電導(dǎo)率。根據(jù)第一性原理建模，氧缺陷的位點(diǎn)最有可能位于鈮氧多面體層間的Nb-O-Nb處。 

　　O-g-C3N4微氧泵在高溫下會(huì)氣化，有利于氧原子釋放并在缺陷位點(diǎn)上補(bǔ)充；O-g-C3N4也可以作為T-Nb2O5-x生長(zhǎng)的自犧牲模板而構(gòu)建多孔的大片電極網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)微氧泵調(diào)節(jié)后，T-Nb2O5-x的氧缺陷濃度從19 μmol/g降低到0.31 μmol/g。缺陷修補(bǔ)后的T-Nb2O5-x表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在5C大倍率下循環(huán)1100圈后的容量仍保持在164 mAh/g，在25 C的超高倍率下仍可釋放104 mAh/g的容量。重缺陷型的T-Nb2O5-x在4 mg/cm2的高載量下可實(shí)現(xiàn)0.74 mAh/cm2的面容量。T-Nb2O5-x/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全電池表現(xiàn)出高的電位平臺(tái)（2.12 V）和大的比容量（229 mAh/g），證明了這種快充負(fù)極材料的實(shí)用性。氧缺陷調(diào)制策略為開發(fā)新型氧化物電極用于快充型和耐用型鋰離子電池提供了新思路。 

　　研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。上海交通大學(xué)科研人員參與該工作。 

O-g-C3N4補(bǔ)氧機(jī)理及T-Nb2O5-x在5C倍率下的長(zhǎng)循環(huán)性能對(duì)比

缺陷型T-Nb2O5-x的結(jié)構(gòu)分析及能帶計(jì)算

T-Nb2O5-x的面容量?jī)?yōu)勢(shì)及其全電池性能