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如今，儲能裝置的快速充電能力對于電動汽車和電網(wǎng)的應用至關(guān)重要。電池的快速充電性能是由電極材料實現(xiàn)的。這些材料是通過尺寸納米化、多孔結(jié)構(gòu)、碳涂層和導電分層結(jié)構(gòu)等各種方法實現(xiàn)的。典型電極材料的鋰離子擴散率有限。活性電極材料的納米化是提高有效鋰離子擴散傳輸率的常見策略，但它也降低了電池的體積能量/功率密度和穩(wěn)定性。

開發(fā)具有內(nèi)在高倍率性能的電極材料能夠避免上述問題，它結(jié)合了以下優(yōu)點：1）適合快速鋰離子插層的主體結(jié)構(gòu)，2）較低的帶隙以提高導電性，3）更高的工作電壓以避免鋰枝晶的形成。基于鈦的氧化物，如Li₄Ti₅O₁₂和銳鈦礦TiO₂，是非常有名的電極材料，而它們的工作電壓分別為1.55和1.8V，防止鋰電鍍。然而，為了獲得高倍率性能，這些鈦基氧化物仍然需要納米尺寸。此外，Li₄Ti₅O₁₂和銳鈦礦TiO₂的帶隙分別為3.14和3.2 eV，這仍然限制了這些電極材料的內(nèi)在導電性。

武漢理工大學Congli Sun和荷蘭特溫特大學Mark Huijben等人在Adv. Energy Mater.上發(fā)表最新工作，Nickel Niobate Anodes for High Rate Lithium-Ion Batteries。首次證明鈮酸鎳NiNb₂O₆是一種新的本征高倍率鋰離子電池負極材料，無需實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)。

NiNb₂O₆具有合適的宿主晶體結(jié)構(gòu)（圖1）和大贗電容，它表現(xiàn)出固有的高倍率性能。NiNb₂O₆結(jié)構(gòu)包含一種用于鋰離子插層的單類型通道，這導致在充電放電循環(huán)期間單電壓平臺為1.6-1.7 V，便于實用的高倍率鋰離子電池。所有三個過渡金屬離子的氧化使結(jié)構(gòu)能夠在0.5 C時完全鋰化到Li₃NiNb₂O₆，容量約為244 mAh g^-1。在1、5、10和100 C時更快放電導致220、165、140和50 mAh g^-1的高容量。NiNb₂O₆在100 C的倍率下，20000個循環(huán)后仍能實現(xiàn)81%的容量，這證明了可逆鋰化過程的穩(wěn)定性，這與（去）鋰化過程中，NiNb₂O₆體積變化小密切相關(guān)。

鋰離子在NiNb₂O₆中具有高擴散系數(shù)，300 K下，為10^-12 cm² s^-1，作者用各種實驗技術(shù)研究了NiNb₂O₆的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學行為，并通過密度泛函理論（DFT）計算證實了這一點。最后，通過與LiFePO₄和NCM811組成全電池系統(tǒng)，展示了NiNb₂O₆負極在實用電池設備中的良好儲能性能。

圖文詳情

武漢理工超級快充負極，100C循環(huán)20000圈，容量保持81%！