https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108377

【背景】

由于突出的理论容量（201.7 mAh/g）和良好的速率性能，插入型五氧化二铌（Nb₂O₅）被认为是一种有吸引力的锂插层/脱层阳极材料，其具有良好的离子传导性和安全性，在超快速锂离子电池（LIBs）中引起了极大的兴趣。然而，相对较差的导电性和低容量大大限制了其商业应用。

【工作介绍】

近日，武汉理工大学麦立强教授、安琴友研究员报告了一种微量的Co掺杂策略来提高T-Nb₂O₅ 的导电性和氧化还原化学。原有的Nb位点部分被Co取代，使Co-Nb₂O₅ 具有高的电子传导性，而不影响晶体结构，同时在锂离子插入过程中诱导Nb⁵⁺/Nb⁴⁺ 和Nb⁴⁺/Nb³⁺ 的多电子氧化。作为锂离子电池的阳极，Co-Nb₂O₅ 纳米粒子显示了高的放电容量（0.1 A g⁻¹ ，256.1 mAh g⁻¹ ），卓越的速率能力（5 A g⁻¹ ，141.7 mAh g⁻¹ ）和良好的循环稳定性（500次循环后1 A g⁻¹ ，179.7 mAh g⁻¹ ）。Co-Nb₂O₅ 的超快储锂和高容量电化学性能是由于其高导电性和锂化/脱锂时的多电子氧化。选择性的过渡金属掺杂策略为开发新的插入型氧化物阳极提供了一个新的方向，以实现快速充电和高容量锂离子电池。

该成果以题为《Crystal structure regulation boosts the conductivity and redox chemistry of T-Nb₂O₅ anode material》发表在国际顶刊《Nano Energy。第一作者是：Chen Jinghui, Meng Jiashen。

【亮点】

1. Co-Nb₂O₅ 纳米粒子是通过错位配位反应合成的，微量的Co过渡金属掺杂物部分占据了低配位的Nb位。

2. 所制备的Co-Nb₂O₅ 具有很高的电子传导性，同时保持了晶体宿主结构，并作为LIBs阳极材料表现出超快的储锂能力。

3. 微量Co过渡金属掺杂物可以在锂插层过程中诱导Nb⁵⁺/Nb⁴⁺ 和Nb⁴⁺/Nb³⁺ 的多电子氧化反应，从而使其比容量高于理论容量。

4. 在插入型材料中引入金属掺杂物为快速充电和高容量的LIB提供了一个新的思路。

痕量Co被掺入插入型T-Nb₂O₅ ，部分取代了原有的低配位的Nb位点，同时保持了晶体主结构的优势。微量Co掺杂物提高了T-Nb₂O₅ 的电子传导性，并在锂插层过程中诱导Nb⁵⁺/Nb⁴⁺ 和Nb⁴⁺/Nb³⁺ 的多电子氧化。所制备的Co-Nb₂O₅ 作为LIBs阳极材料表现出超快的储锂速度和更高的比容量。

Fig. 1. 结构和表征。

Fig. 2. 电化学性能。

Fig. 3. 表征。

Fig. 4.  I-V 曲线、理论计算。

Fig. 5.电化学性能。

本工作证明，在插入型T-Nb₂O₅中引入微量Co掺杂物是一种很有前途的策略，可以提高Nb⁵⁺/Nb⁴⁺和Nb⁴⁺/Nb³⁺的固有电导率和诱导多电子氧化，实现超快储锂和高容量。痕量Co掺杂物部分取代了原有的低配位的Nb位点，增强了T-Nb₂O₅的金属特性和多电子氧化作用，同时保持了晶体宿主结构的优势。通过原位XRD、原位XPS分析和DFT计算等多种实验测量，Co-Nb₂O₅优异的快充性和高容量是由于其高电子传导性和锂插入后的氧化还原化学作用。此外，Co-Nb₂O₅作为锂离子全电池的负极，也表现出出色的速率性能、高容量和长循环寿命。考虑到我们的Co-Nb₂O₅纳米粒子的超快储锂和高容量，将过渡金属掺杂物引入插入型材料为快速充电的锂离子电池提供了一个新的思路。