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鄭子劍/姚蕾AEM：陽離子無序?qū)崿F(xiàn)大功率電池的超高倍率/超穩(wěn)定負(fù)極！

高功率鋰離子電池（LIBs）對于功率密集型應(yīng)用至關(guān)重要，然而由于缺乏在高倍率下具有穩(wěn)定性和高容量的負(fù)極材料，其發(fā)展在很大程度上受到了阻礙。

在此，香港理工大學(xué)鄭子劍教授、深圳大學(xué)姚蕾等人報道了一種陽離子無序策略以合成具有預(yù)畸變的Nb(Ti)O₆八面體的TiNb₂O₇（pd-TNO），其顯示出前所未有的功率密度和長循環(huán)穩(wěn)定性。與在惰性氣氛中以昂貴的乙醇鈮為原料常規(guī)合成TNO及其隨后在高溫（如1000 °C）下煅燒不同，pd-TNO的合成采用空氣穩(wěn)定且成本低廉的草酸鈮作為Nb的來源，因而合成是在空氣中進(jìn)行的且煅燒溫度也降至800 °C。

因此，pd-TNO的合成可以很容易地按比例放大生產(chǎn)。原位XRD觀察和動力學(xué)分析揭示了其在減輕局部晶格應(yīng)力-應(yīng)變和促進(jìn)插層型贗電容反應(yīng)方面具有出色的能力，這有利于其在長期循環(huán)和高倍率下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1. 常規(guī)TNO和pd-TNO的合成過程及表征

電化學(xué)測試表明，pd-TNO可在1~200 C的寬范圍內(nèi)穩(wěn)定充放電，且表現(xiàn)出比常規(guī)TNO顯著提高的倍率性能。即使在200 C的極高倍率下，pd-TNO也可保持TNO大約10倍高的放電容量（76 mAh g^-1）。

此外，pd-TNO在100 C下循環(huán)15000次后仍可提供66 mAh g^-1的比容量，對應(yīng)于低至0.004%的衰減率。盡管與最具代表性的高功率負(fù)極 Li₄Ti₅O₁₂（LTO）具有相似的電壓區(qū)域，但pd-TNO的容量幾乎翻了一番且具有更高的能量密度和功率密度。使用pd-TNO負(fù)極組裝的高功率LIB在200 C時具有91197 W kg^-1的前所未有的功率密度，比基于LTO的LIB大約高8倍（11813 W kg^-1@50 C）。

更重要的是，pd-TNO是在環(huán)境條件下通過高通量工藝制備的，因此在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出相當(dāng)大的可擴(kuò)展性潛力。

圖2. pd-TNO和常規(guī)TNO、LTO的性能對比

Unprecedented Superhigh-Rate and Ultrastable Anode for High-Power Battery via Cationic Disordering, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201130

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