Energy Reviews | 鈮基氧化物作為快充鋰離子電池負極的研究進展
文章題目：Progress in niobium-based oxides as anode for fast-charging Li-ion batteries
關鍵詞：Energy storage materials；Fast-charging；Li-ion batteries；Niobium-based oxides?Modification；Nb2O5-Derived compounds；Advanced characterization techniques
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000147
????近日，廣東工業(yè)大學孫志鵬教授，徐俊嶺博士聯(lián)合美國佐治亞理工學院汪正平院士在Energy Reviews發(fā)表文章“Progress in niobium-based oxides as anode for fast-charging Li-ion batteries”，論文第一作者為研究生謝富強。該文章分析了鈮基氧化物作為鋰離子電池負極的工作原理、改性方法和電化學特性，重點關注了Nb2O5的晶相演變和基本電化學行為；形態(tài)調(diào)控、復合材料技術和碳包覆等改性技術；基于五氧化二鈮的衍生化合物以及相關的前沿表征技術等。文章最后展望了鈮基氧化物材料用于高速充電儲能電池所面臨的挑戰(zhàn)和問題，以及未來的研究方向。
01?內(nèi)容簡介
Introduction（引言）
Fundamentals of niobium pentoxide（五氧化二鈮基礎知識）
2.1. Crystallology of niobium pentoxide（五氧化二鈮晶體學特性）
2.2.?Electrochemical properties of niobium pentoxide（五氧化二鈮電化學性質(zhì)）
Modification technologies of niobium pentoxide（五氧化二鈮改性技術）
3.1. Morphology modulation（形貌調(diào)控）
3.2. Composite technologies（復合材料技術）
3.3. Carbon coating（碳包覆）
Nb2O5 derived compounds（基于五氧化二鈮的衍生化合物）
4.1. Niobium titanium oxides（鈮鈦氧化物）
4.2. Niobium tungsten oxides（鈮鎢氧化物）
4.3. Other Nb2O5 derived compound（其他類型衍生化合物）
Advanced characterization techniques（先進表征技術）
5.1. Microscopical technique（顯微技術）
5.2. Others（其他技術）
Conclusion and perspectives（結(jié)論和展望）
02?內(nèi)容亮點
????1、鈮基氧化物尤其是Nb2O5，由于其優(yōu)異的倍率性能和長循環(huán)壽命而成為快速充電鋰離子電池的有前途的材料；
????2、形貌調(diào)控、復合材料技術和碳包覆等改性技術可用于增強五氧化二鈮電化學性能；
????3、探索基于五氧化二鈮的衍生化合物（如鈮鈦氧化物和鈮鎢氧化物）作為負極材料的潛力；
????4、應用于揭示鈮基氧化物在快充過程中的電化學行為和結(jié)構(gòu)變化的先進表征技術；
????5、鈮基氧化物負極材料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來產(chǎn)業(yè)應用方向。
3?內(nèi)容導讀
????鈮和氧可以形成多種氧化物，Nb2O5展現(xiàn)出一系列晶體相，其中最常見的是偽六方晶系的TT-Nb2O5、正交晶系的T-Nb2O5、四方晶系的M-Nb2O5、B-Nb2O5和單斜晶系的H-Nb2O5。在不同的合成溫度下，可以形成6種常見的Nb2O5相，其中T-Nb2O5是目前研究最多的，由于其獨特的插層式贗電容效應，表現(xiàn)出較快的離子插入機制和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。因此到目前為止，Nb2O5已經(jīng)被合成成各種納米結(jié)構(gòu)，包括微球、納米棒、納米纖維、納米空心球和薄片。
????像其他電極材料一樣，鈮基氧化物可以通過改變合成方法來獲得更好的電化學性能。目前有幾種可用的Nb2O5合成方法，包括溶膠-凝膠法、水熱法、靜電紡絲法、兩步水熱法等。鈮氧的低電導率和薄弱的結(jié)構(gòu)可控性限制了其實際應用，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，碳包覆層可以彌補Nb2O5的弱電導性，同時調(diào)節(jié)Nb2O5的形貌，充分利用復合材料的優(yōu)勢。碳包覆是一種通過增強電子和離子傳輸效率以及形態(tài)調(diào)節(jié)來改性Nb2O5的有效方法。各種碳材料，如聚合物、多巴胺、石墨烯和糖，都可用于碳涂層。碳涂層的存在優(yōu)化了電子導電率和離子傳遞率，從而提高了H-Nb2O5的電化學性能。碳涂層修飾技術為進一步探索Nb2O5負電極材料提供了理論指導。
????鈮鎢氧化物可以分為兩種晶體結(jié)構(gòu)：一種是鎢青銅結(jié)構(gòu)，另一種是Wadsley-Roth結(jié)構(gòu)。早在1968年，斯蒂芬森發(fā)現(xiàn)了幾種鈮鎢氧化物相，該相由被金屬-氧八面體包圍的五邊形單元組成，這些單元相互連接形成了一個五邊形隧道，為鋰離子傳輸提供了快速通道。2018年，格里菲斯等人對微米級鈮鎢氧化物的性能進行了研究，結(jié)果表明常規(guī)的納米結(jié)構(gòu)化策略導致了體積能量密度和安全性的降低。然而，微米級的Nb16W5O55和NbW16O93表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和體積能量密度。這些材料的擴散系數(shù)比Li4Ti5O12和LiMn2O4等典型電極材料高幾個數(shù)量級，表明適當?shù)乃拗骶Ц癫恍枰贤ǔ５某叽?、結(jié)構(gòu)或孔隙性要求就可以實現(xiàn)實用的高倍率電池電極。
????鈮基氧化物倍率性能優(yōu)越，而對于這種快速非平衡過程傳統(tǒng)表征技術無法實現(xiàn)。最近開發(fā)的原位光學散射顯微鏡技術可用來探索在高達30C的充電倍率下單個顆粒的充放電狀態(tài)。在利用原位散射顯微鏡觀測的棒狀Nb14W3O44顆粒在從1C到30C的過程中顆粒變化時，可以通過研究散射強度隨電荷狀態(tài)的連續(xù)變化，從而觀察到單個顆粒內(nèi)的非平衡動力學相分離，這使得人們可以在整個快速充放電循環(huán)過程中量化單個顆粒的充電狀態(tài)變化。
4?重要結(jié)論
????綜上所述，鈮基氧化物系列電極材料以其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電化學性能在電化學儲能領域得到了廣泛的關注。鈮基氧化物可以實現(xiàn)與電化學電容器相當?shù)某潆娝俾?，而且其工作電壓可以抑制電解質(zhì)分解和鋰枝晶的形成。通過形貌調(diào)控、碳包覆、復合等技術對Nb2O5進行改性，可以進一步提高Nb2O5的電化學性能。但原材料鈮的高成本仍然是一個重要問題。因此，進一步研究減少Nb元素的用量且同時保持其高倍率性能的Nb2O5衍生化合物，對于鈮基氧化物在未來電池產(chǎn)業(yè)中的應用至關重要。
????目前，鈮基氧化物的研究仍然存在一些關鍵的挑戰(zhàn)：
????挑戰(zhàn)一：開發(fā)高性能衍生物與高溫晶相
1、探索利用諸如TiNb2O7等衍生化合物降低成本，推動Nb2O5衍生化合物在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；
2、研究合成高溫晶相H-，M-Nb2O5，進一步提升五氧化二鈮電化學性能。
????挑戰(zhàn)二：提高電導率
1、如何有效果通過離子摻雜調(diào)節(jié)Nb2O5本征電導率；
2、如何利用形貌控制、復合材料和碳包覆等技術繼續(xù)提高鈮基氧化物電導率。
????挑戰(zhàn)三：拓展應用領域
1、將鈮基氧化物應用于其他電池系統(tǒng)，如鈉\鉀\鎂離子電池等；
2、使用電極修飾技術和新的五氧化二鈮衍生物體系來提高其他電池系統(tǒng)的電化學性。
作者簡介：
謝富強，廣東工業(yè)大學21級碩士生，材料工程專業(yè)，研究方向為鋰離子電池電極材料，研究課題為鈮基負極材料的制備及其電化學性能的研究。
徐俊嶺，廣東工業(yè)大學特聘副教授，香港中文大學博士，主要研究方向為高性能二次電池材料的開發(fā)以及新型電池反應的探索，在Nano Energy, Green Chem., J. Mater. Chem. A等雜志發(fā)表SCI論文50余篇，擔任Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Mater. Today Chem.等期刊審稿人。
孫志鵬，廣東工業(yè)大學“百人計劃”特聘教授，國家青年特聘專家，材料與能源學院副院長，廣東省重大人才工程團隊核心成員，江蘇省“雙創(chuàng)人才”（創(chuàng)新類）。主要從事有關新能源存儲與轉(zhuǎn)換器件和氣體傳感器等研究。已在國內(nèi)外學術期刊上發(fā)表論文110?余篇，出版中文論著1部，授權發(fā)明專利 8 件。先后主持國家自然科學基金、國家質(zhì)檢總局科研基金、廣東省科技廳國際合作基金等15項。
汪正平，美國佐治亞理工學院董事教授、美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士、香港科學院創(chuàng)院院士，中國臺灣“中央研究院”院士。多年來致力于電子封裝材料的研究，被譽為“現(xiàn)代半導體封裝之父”。在Science、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Nano Energy、ACS Nano、Nano Letters、ECTC等國際期刊與學術會議上發(fā)表論文1000余篇，授權60余項美國專利，出版《高分子在電子和光子學應用》、《電子封裝設計、材料、過程和可靠性》、《電子制造：無鉛、無鹵和導電膠材料》、《高級電子封裝材料》、《納米導電膠技術》等12本英文學術專著。
Energy Reviews?
簡介?
???《Energy Reviews》是由深圳大學主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團創(chuàng)辦的一本國際性、跨學科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學術期刊，由謝和平院士擔任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學倪萌教授擔任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領域前沿方向、最新進展、發(fā)展趨勢、權威觀點等高質(zhì)量學術文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術;?能源研究的多學科（材料、物理、化學、生物等）交叉融合探索技術;?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進技術;?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應用;??能源領域現(xiàn)代信息技術（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關方向的優(yōu)質(zhì)稿件。
"關注前沿 | 引領趨勢"
