鋰離子電池今日Nature：一種能夠在數分鐘內實現安全充電數千次的新型鋰電無序鹽巖負極

CYM 3年前 (2020-09-03) 5390瀏覽

【引言】?

眾所周知，可實現快速充放電的高能量密度鋰離子電池在眾多電子設備中已經得到了廣泛地使用。然而，對于鋰離子電池負極材料的選擇上，能量密度、功率和安全性的優先考慮等級上并未得到真正完善。比如，當使用商業化的石墨作為負極時，能夠提供較高的能量密度，但往往在快充過程中由于低的電位（0.1V）容易造成鋰金屬沉積，從而形成鋰枝晶，最終導致電池燃燒甚至爆炸；其次是使用商業化的鈦酸鋰負極，能夠滿足快速充電的要求，但通常會造成能量密度的大大降低。在之前的研究中，富鋰無序巖鹽（DRS）氧化物是公認的最有前途的鋰離子電池正極材料，通過本身八面體-四面體-八面體的滲透網絡實現快速鋰擴散。然而，雖然在電化學反應過程中形成了Li₃MoO₄和Li₅W₂O₇氧化物等DRS，但沒有進一步研究將Li插入DRS氧化物中形成潛在的負極材料的可能性。

近日，?美國加州大學圣地亞哥分校劉平教授與Shyue Ping Ong教授，加州大學歐文分校Huolin Xin教授和美國阿貢國家實驗室陸俊研究員（通訊作者）制備了一種無序巖鹽Li_3+xV₂O₅作為快速充電負極材料，能夠可逆地循環兩個鋰離子，且展現出0.6V的平均電壓平臺。與石墨負極相比，增加的電位降低了鋰金屬沉積的可能性，減輕了一個主要的安全問題（鋰枝晶生長導致的安全問題）；此外，具有無序巖鹽Li₃V₂O₅負極的鋰離子電池的電池電壓遠高于使用商用快速充電鈦酸鋰負極或其他插層的負極材料（如Li₃VO₄和LiV_0.5Ti_0.5S₂）。同時，無序鹽巖Li₃V₂O₅負極能夠進行1000多次充放電循環，容量衰減可忽略不計，并且具有出色的倍率容量，可在20秒內提供其容量的40％以上。作者通過一些的先進表針，如中子衍射，原位XRD，電感耦合等離子體發射光譜，X射線吸收光譜等說明了負極材料結構以及在循環過程中的演變。進一步將無序鹽巖Li₃V₂O₅的低電壓和高倍率性能歸因于重新分布鋰插層機制。這種低電位和高倍率的嵌入反應可用于識別其他金屬氧化物負極，以用于快速充電，長壽命的鋰離子電池。相關研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”為題發表于Nature上。