锂离子电池今日Nature：一种能够在数分钟内实现安全充电数千次的新型锂电无序盐岩负极

CYM 3年前 (2020-09-03) 5730浏览

【引言】

众所周知，可实现快速充放电的高能量密度锂离子电池在众多电子设备中已经得到了广泛地使用。然而，对于锂离子电池负极材料的选择上，能量密度、功率和安全性的优先考虑等级上并未得到真正完善。比如，当使用商业化的石墨作为负极时，能够提供较高的能量密度，但往往在快充过程中由于低的电位（0.1V）容易造成锂金属沉积，从而形成锂枝晶，最终导致电池燃烧甚至爆炸；其次是使用商业化的钛酸锂负极，能够满足快速充电的要求，但通常会造成能量密度的大大降低。在之前的研究中，富锂无序岩盐（DRS）氧化物是公认的最有前途的锂离子电池正极材料，通过本身八面体-四面体-八面体的渗透网络实现快速锂扩散。然而，虽然在电化学反应过程中形成了Li₃MoO₄和Li₅W₂O₇氧化物等DRS，但没有进一步研究将Li插入DRS氧化物中形成潜在的负极材料的可能性。

近日，美国加州大学圣地亚哥分校刘平教授与Shyue Ping Ong教授，加州大学欧文分校Huolin Xin教授和美国阿贡国家实验室陆俊研究员（通讯作者）制备了一种无序岩盐Li_3+xV₂O₅作为快速充电负极材料，能够可逆地循环两个锂离子，且展现出0.6V的平均电压平台。与石墨负极相比，增加的电位降低了锂金属沉积的可能性，减轻了一个主要的安全问题（锂枝晶生长导致的安全问题）；此外，具有无序岩盐Li₃V₂O₅负极的锂离子电池的电池电压远高于使用商用快速充电钛酸锂负极或其他插层的负极材料（如Li₃VO₄和LiV_0.5Ti_0.5S₂）。同时，无序盐岩Li₃V₂O₅负极能够进行1000多次充放电循环，容量衰减可忽略不计，并且具有出色的倍率容量，可在20秒内提供其容量的40％以上。作者通过一些的先进表针，如中子衍射，原位XRD，电感耦合等离子体发射光谱，X射线吸收光谱等说明了负极材料结构以及在循环过程中的演变。进一步将无序盐岩Li₃V₂O₅的低电压和高倍率性能归因于重新分布锂插层机制。这种低电位和高倍率的嵌入反应可用于识别其他金属氧化物负极，以用于快速充电，长寿命的锂离子电池。相关研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”为题发表于Nature上。