澤攸科技TEM原位助力高性能鋰離子電池負(fù)極材料的研究
日期:2024-08-15
鋰離子電池(LIBs)作為重要的能源存儲(chǔ)設(shè)備,因其高能量密度和長(zhǎng)服務(wù)壽命而受到廣泛關(guān)注。隨著對(duì)快速充電技術(shù)需求的增加,開發(fā)具有高倍率性能的電極材料變得尤為關(guān)鍵。目前,石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料雖然理論容量較高,但其較低的倍率性能和較大的初始容量損失,難以滿足高倍率和高能量密度設(shè)備的需求。此外盡管Li4Ti5O12電具有循環(huán)穩(wěn)定性,但其理論容量較低,限制了LIBs的能量密度。因此開發(fā)具有高容量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的高倍率電極材料對(duì)于發(fā)展快速充電和長(zhǎng)壽命的LIBs至關(guān)重要。
在眾多研究中,五氧化二鈮(Nb2O5)因其超快的鋰存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)而受到關(guān)注,展現(xiàn)出作為高倍率LIBs負(fù)極的潛力。特別是正交晶系的五氧化二鈮(T-Nb2O5)被發(fā)現(xiàn)具有與鋰離子的插層電化學(xué)反應(yīng),表現(xiàn)出偽電容特性。然而Nb2O5的電子導(dǎo)電性較低,這嚴(yán)重限制了其實(shí)際容量和倍率性能。為了提高Nb2O5的導(dǎo)電性和倍率性能,研究者們?cè)O(shè)計(jì)了特定的Nb2O5納米結(jié)構(gòu),并通過金屬離子摻雜、自摻雜和引入氧缺陷等策略來改善其電子導(dǎo)電性。盡管如此,這些方法在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些主要限制,例如容易聚集、較大的比表面積伴隨著更多的副反應(yīng)和穩(wěn)定性差等問題。此外,大多數(shù)研究為了避免在低截止電壓下出現(xiàn)極化和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等不良影響,通常在1.0-3.0 V的電位窗口內(nèi)進(jìn)行,但這無疑會(huì)導(dǎo)致容量降低。因此,開發(fā)一種有效的策略,以實(shí)現(xiàn)T-Nb2O5在0.01-3.0 V電位窗口內(nèi)的全部潛力,是提高其在快速充電應(yīng)用中性能的關(guān)鍵。
針對(duì)上述問題,由武漢理工大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技TEM原位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。該團(tuán)隊(duì)通過鋁摻雜的方法,成功制備了嵌入在氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)中的微米級(jí)鋁摻雜正交晶系五氧化二鈮(Al-Nb2O5@NC)微球。相關(guān)成果以“Al-doped Nb2O5/carbon micro-particles anodes for high rate lithium-ion batteries”發(fā)表在《Electrochimica Acta》期刊上,全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141796
這篇論文的主要研究?jī)?nèi)容集中在開發(fā)一種新型的鋁摻雜的正交晶系五氧化二鈮(Al-Nb2O5)與氮摻雜碳(NC)復(fù)合微球材料(Al-Nb2O5@NC),并將其應(yīng)用于高倍率性能的鋰離子電池(LIBs)負(fù)極。研究團(tuán)隊(duì)通過溶熱法和煅燒法成功合成了Al-Nb2O5@NC微球,并通過一系列實(shí)驗(yàn)方法,如X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、能量色散X射線光譜(EDS)和X射線光電子能譜(XPS)等,對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)、形貌、元素價(jià)態(tài)和組成進(jìn)行了詳細(xì)表征。
圖 Al-Nb2O5@NC的特性表征
研究發(fā)現(xiàn),鋁摻雜不僅增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,還顯著提升了離子和電子的傳導(dǎo)性。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減少了Nb在循環(huán)過程中的遷移,從而在高倍率充放電條件下保持了穩(wěn)定的容量。通過原位透射電子顯微鏡(in-situ TEM)觀察,驗(yàn)證了Al-Nb2O5@NC在鋰離子插層過程中具有更好的晶體完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
圖 Al-Nb2O5@NC在鋰化過程中的形貌和微觀結(jié)構(gòu)演變
電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,Al-Nb2O5@NC作為L(zhǎng)IBs負(fù)極材料,展現(xiàn)出了高倍率充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。即使在高達(dá)20 A g?1的電流密度下,經(jīng)過9900個(gè)循環(huán)后,其容量仍能保持在約82 mAh g?1。此外,通過循環(huán)伏安測(cè)試(CV)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)分析,研究團(tuán)隊(duì)還探討了Al-Nb2O5@NC的電化學(xué)動(dòng)力學(xué),發(fā)現(xiàn)其具有較高的贗電容貢獻(xiàn)率,這進(jìn)一步證實(shí)了材料快速的鋰離子存儲(chǔ)能力。
圖 循環(huán)后Al-Nb2O5@NC的結(jié)構(gòu)演變
綜上,這項(xiàng)研究通過鋁摻雜和氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,為構(gòu)建具有高比容量、穩(wěn)定性和優(yōu)異倍率性能的快速充放電鋰離子電池負(fù)極材料提供了一種有效的材料設(shè)計(jì)和合成策略。
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作者:澤攸科技