五氧化二鈮（Nb₂O₅）作為一種應(yīng)變小、傳輸能壘低的離子嵌入材料，其有限的離子傳輸速率和電導率是限制其在鋰/鈉存儲系統(tǒng)中應(yīng)用的主要因素。

揚州大學張淮浩等采用工業(yè)級碳管作為離子傳輸通道并結(jié)合富含氮摻雜和空位缺陷的Nb₂O₅制備了微球材料（N-Nb₂O₅-x@CNTs）。

圖1. 材料制備及表征

借助毛細管效應(yīng)，碳納米管可以使電解液快速滲透到微球中，從而縮短Li⁺/Na⁺傳輸路徑。此外，碳納米管還阻礙了電解液與Nb₂O₅的直接接觸，抑制了不可逆反應(yīng)。同時，氮摻雜和氧空位缺陷降低了Li⁺/Na⁺傳輸?shù)哪軌?，提高了傳輸速率，密度泛函理論證明了這一點。最后，高導電性CNTs和來自缺陷的不成對電子也改善了Nb₂O₅的絕緣性能。

圖2. 動力學研究

受益于上述優(yōu)勢，N-Nb₂O₅-x@CNTs在Li和Na半電池中的容量分別可以達到206.3和306.6 mAh g^-1，并且可以提供超過5000次穩(wěn)定的循環(huán)。其組裝的混合電容器還提供高能量密度和功率密度（Li-HSC：79.9 Wh kg^-1和20 kW kg^-1；Na-HSC：71.3 Wh kg^-1和12.5 kW kg^-1）。有趣的是，公斤級微球復合材料可以在實驗室條件下使用工業(yè)級原材料生產(chǎn)，這意味著其在實際應(yīng)用中的潛力。

圖3. 長循環(huán)性能及作用示意

Multidefect N-Nb2O5-x@CNTs Incorporated into Capillary Transport Framework for Li+/Na+ Storage. Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202201450