近日，清華大學材料學院唐子龍教授課題組在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上發表題為「具有類玻璃-陶瓷相的高倍率釩酸鹽鋰離子電池正極材料」（Glass‐Ceramic‐Like Vanadate Cathodes for High‐Rate Lithium‐Ion Batteries）的研究成果。該研究在高倍率鈦酸鋰水合物電極材料（Nature
Communications, 2017, 8: 627）的研究基礎上，進一步解決了納米電極材料低體積能量密度、低庫倫效率及容量迅速衰減等問題。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903411
在鋰離子電池中，納米電極材料具有短程離子擴散距離和快速反應動力學的優勢，但是過高的比表面積使其在電極製備和循環過程中易發生顆粒團聚並與有機電解液發生嚴重副反應；而微米級電極材料雖然可以有效降低與電解液的接觸面積，提高壓實密度，但是其離子擴散能力通常不足以滿足離子短時間的快速嵌入和脫出。因此，設計一種同時具有快速離子通道和低比表面積的微米級緻密納米晶材料可有效解決上述問題。
圖1 熱處理過程中的（a）原位XRD；（b）小角度區域的等值線圖（c）晶粒尺寸變化.；（d）熱處理過程中相轉變示意圖。
圖2 類玻璃-陶瓷相釩酸鹽正極材料的（a-d）電化學性能以及（e）與其他釩基正極材料的倍率性能對比。
與傳統自下而上合成納米-微米材料的方法（如噴霧造粒、共沉澱自組裝等）不同，該研究採用了一種自上而下的微米-納米材料合成策略——首先合成微米級釩酸鹽前驅體，再通過低溫相轉變過程引入類玻璃-陶瓷相中間態，同時晶粒發生細化，從而得到微米級緻密納米晶電極材料。這種具有類玻璃-陶瓷相的釩酸鹽電極材料不僅具有豐富的晶界/相介面，以保證鋰離子的快速傳輸，同時具有較小的比表面積，以減少與電解液之間的表面副反應。基於上述優勢，該釩酸鹽正極材料表現出優異的大倍率、高容量和長循環的電化學性能。這一合成策略對其他前驅體為水合物的過渡金屬氧化物電極材料同樣具有普適性，也為儲能材料中的微米-納米結構設計提供新思路。
該論文的通訊作者為清華大學材料學院唐子龍教授、美國麻省理工學院王詩童博士和董岩皓博士，第一作者是清華大學材料學院2016級博士生李禹彤。該研究得到了國家自然科學基金的資助。（來源：清華大學）