鋰離子電池（LIBs）作為重要的能源存儲設備，因其高能量密度和長服務壽命而受到廣泛關注。隨著對快速充電技術需求的增加，開發(fā)具有高倍率性能的電極材料變得尤為關鍵。目前，石墨作為鋰離子電池負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)具有高容量和結構穩(wěn)定性的高倍率電極材料對于發(fā)展快速充電和長壽命的LIBs至關重要。

在眾多研究中，五氧化二鈮（Nb2O5）因其超快的鋰存儲動力學而受到關注，展現(xiàn)出作為高倍率LIBs負極的潛力。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反應，表現(xiàn)出偽電容特性。然而Nb2O5的電子導電性較低，這嚴重限制了其實際容量和倍率性能。為了提高Nb2O5的導電性和倍率性能，研究者們設計了特定的Nb2O5納米結構，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電性。盡管如此，這些方法在實際應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)極化和結構不穩(wěn)定等不良影響，通常在1.0-3.0 V的電位窗口內(nèi)進行，但這無疑會導致容量降低。因此，開發(fā)一種有效的策略，以實現(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用中性能的關鍵。

針對上述問題，由武漢理工大學組成的研究團隊利用澤攸科技TEM原位測量系統(tǒng)進行了深入研究。該團隊通過鋁摻雜的方法，成功制備了嵌入在氮摻雜碳網(wǎng)絡中的微米級鋁摻雜正交晶系五氧化二鈮（Al-Nb2O5@NC）微球。相關成果以“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內(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）復合微球材料（Al-Nb2O5@NC），并將其應用于高倍率性能的鋰離子電池（LIBs）負極。研究團隊通過溶熱法和煅燒法成功合成了Al-Nb2O5@NC微球，并通過一系列實驗方法，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，對材料的晶體結構、形貌、元素價態(tài)和組成進行了詳細表征。

圖 Al-Nb2O5@NC的特性表征

研究發(fā)現(xiàn)，鋁摻雜不僅增強了材料的結構穩(wěn)定性，還顯著提升了離子和電子的傳導性。這種結構的優(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構穩(wěn)定性。

圖  Al-Nb2O5@NC在鋰化過程中的形貌和微觀結構演變

電化學測試結果表明，Al-Nb2O5@NC作為LIBs負極材料，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20 A g?1的電流密度下，經(jīng)過9900個循環(huán)后，其容量仍能保持在約82 mAh g?1。此外，通過循環(huán)伏安測試（CV）和電化學阻抗譜（EIS）分析，研究團隊還探討了Al-Nb2O5@NC的電化學動力學，發(fā)現(xiàn)其具有較高的贗電容貢獻率，這進一步證實了材料快速的鋰離子存儲能力。

圖 循環(huán)后Al-Nb2O5@NC的結構演變

綜上，這項研究通過鋁摻雜和氮摻雜碳網(wǎng)絡的結合，為構建具有高比容量、穩(wěn)定性和優(yōu)異倍率性能的快速充放電鋰離子電池負極材料提供了一種有效的材料設計和合成策略。

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