结构调控构筑高倍率铌基负极材料及其电化学性能研究

Developing high-rate electrode is beneficial to shorten charging time and enhance the output performance of traditional lithium-ion batteries. Niobium-based oxides as a new class of anode materials, which can satisfy the pressing demand for superior batteries with faster rate, larger capacity, better safety, and longer service life, have captured tremendous research interests. However, the intrinsic poor electrical conductivity hinders their energy storage applications. It's a challenge to enhance their intrinsic electronic conductivity by the crystal structure optimization. In this contribution, we propose a structure engineering by doping with some metallic elements to achieve a systematic tune of band gap and electrical/ionic conductivity. And then, we systematically evaluate the structural and electrochemical performance through precise control of the composition, content and morphology. Combined with the data from detailed characterizations on these niobium-based oxides during their charge/discharge cycle, we expect to have a better understanding on the electrochemical behavior and the mechanism. These studies can provide a reliable theoretical basis and practical reference for the structural design, controllable synthesis and performance optimization of niobium-based oxides.

高倍率电极材料的开发是解决传统锂离子电池较长的充电时间以及高功率输出不足的最有效手段。作为新一代的负极材料，铌基金属氧化物具有的高倍率、高容量、长寿命、高安全性的潜在特征引起了人们极大的关注。但由于其较低的电子电导率，限制了这类材料高倍率性能的发挥，如何利用自身的结构调控实现材料本征电子电导率的提升是其长期存在的难点与挑战。因此，本项目通过不同金属对铌基氧化物的掺杂或复合，探讨结构调控对材料禁带宽度及电子/离子传输能力的影响。同时，基于对材料组份、含量及形貌状态的精确控制，系统评价不同条件下材料的结构及性能差异。在此基础上，利用对不同铌基金属氧化物充放电过程的详细表征，深入研究其电化学行为及嵌脱锂机制，加深对铌基材料结构与电化学特性的理解，为新型铌基金属氧化物的结构设计、可控合成及性能优化提供理论基础和实践参考。

长期以来锂离子电池较长的充电时间以及大功率输出的不足饱受人们的诟病，未来也必将严重影响锂离子电池长远的发展。铌基金属氧化物独特的晶体结构，有利于降低锂离子迁移的能垒，同时其较高的嵌锂电位避免了锂枝晶生成的风险，因而被认为是极具潜力的，兼具高倍率、高容量、高安全及长寿命特性的负极材料。然而这类材料存在自身电子电导率低的问题，对其高倍率性能的发挥造成了不利的影响，降低了其应用的潜力。如何提升铌基金属氧化物的电荷传输能力，提升电导率，成为了其实现应用的关键问题之一。. 本项目基于锂离子电池高倍率电极材料研究及应用的需要，以极具潜力的铌基金属氧化物为基础，利用金属元素的体相掺杂和表面包覆，获得具有优异电子及离子传输能力的电极材料，系统研究不同金属元素掺杂后，对材料结构的影响，从物质的本征特性上为铌基金属氧化物普遍存在的低电子电导问题提供可靠的解决方案。同时，基于铌基金属氧化物的可控合成及对组份含量、元素分布及形貌状态的精确调控，系统评价不同条件下材料的结构及性能差异，获取最优的工艺过程。在此基础上，结合材料的表面包覆工艺，实现表面包覆层的原位转化，构筑具有离子电导的包覆层，进一步全面提升材料的电荷传输能力，获得具有高倍率特性的锂离子电池电极材料，为解决当下锂离子电池存在的“充电焦虑”问题提供途径。