近日，清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授課題組在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上發(fā)表題為“具有類玻璃-陶瓷相的高倍率釩酸鹽鋰離子電池正極材料”（Glass‐Ceramic‐Like Vanadate Cathodes for High‐Rate Lithium‐Ion Batteries）的研究成果。該研究在高倍率鈦酸鋰水合物電極材料的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決了納米電極材料低體積能量密度、低庫倫效率及容量迅速衰減等問題。

 

       在鋰離子電池中，納米電極材料具有短程離子擴(kuò)散距離和快速反應(yīng)動力學(xué)的優(yōu)勢，但是過高的比表面積使其在電極制備和循環(huán)過程中易發(fā)生顆粒團(tuán)聚并與有機(jī)電解液發(fā)生嚴(yán)重副反應(yīng)；而微米級電極材料雖然可以有效降低與電解液的接觸面積，提高壓實(shí)密度，但是其離子擴(kuò)散能力通常不足以滿足離子短時間的快速嵌入和脫出。因此，設(shè)計(jì)一種同時具有快速離子通道和低比表面積的微米級致密納米晶材料可有效解決上述問題。 

 

       與傳統(tǒng)自下而上合成納米-微米材料的方法（如噴霧造粒、共沉淀自組裝等）不同，該研究采用了一種自上而下的微米-納米材料合成策略——首先合成微米級釩酸鹽前驅(qū)體，再通過低溫相轉(zhuǎn)變過程引入類玻璃-陶瓷相中間態(tài)，同時晶粒發(fā)生細(xì)化，從而得到微米級致密納米晶電極材料（如圖1所示）。這種具有類玻璃-陶瓷相的釩酸鹽電極材料不僅具有豐富的晶界/相界面，以保證鋰離子的快速傳輸，同時具有較小的比表面積，以減少與電解液之間的表面副反應(yīng)�；�于上述優(yōu)勢，該釩酸鹽正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的大倍率、高容量和長循環(huán)的電化學(xué)性能。這一合成策略對其他前驅(qū)體為水合物的過渡金屬氧化物電極材料同樣具有普適性，也為儲能材料中的微米-納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

 

       該論文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授、美國麻省理工學(xué)院王詩童博士和董巖皓博士，第一作者是清華大學(xué)材料學(xué)院2016級博士生李禹彤。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。