全球能源需求的增加提高了對高性能、低成本和可持續的能源存儲技術的要求。雖然可充電鋰離子電池是當前的市場領導者，但需要使用新穎的加工技術創造的新型電池材料才能達到新的性能基準。
氧化鈮（Nb2O5）是鋰離子電池的負極材料，因為它具有豐富的氧化還原化學狀態（Nb5+至Nb1+）、良好的化學穩定性以及許多亞穩和穩定的多態。與商用石墨電極（<0.3 V）相比，Nb2O5（~1.7 V與Li/Li+）的嵌鋰電位較高，析鋰以及電解液分解的可能較低，因此更安全。然而，其Li+擴散緩慢、導電系數差（~3×10-6 S cm?1）和容量低阻礙了Nb2O5電極的應用。為了解決這些問題，將工作重點放在開發納米結構和/或添加導電材料（例如石墨烯和碳涂層）來提高電荷存儲和輸運性能。
提高Nb2O5電極性能的另一種策略是優化鋰離子插層的晶體結構。Nb2O5至少有12種不同的多態。以前作為鋰離子電池負極研究的Nb2O5包括擬六方晶系（TT-Nb2O5）、正交（T-Nb2O5）和單斜（B-、M-和H-Nb2O5）。研究最多的T-Nb2O5電極的平均容量約為170 mAh g?1，而單斜結構的容量更高，為227 mAh g-1，超過了基于Li2Nb2O5的202 mAh g?1的理論容量（每Nb一個電子氧化還原）。
目前，合成新型插層金屬氧化物電極材料的策略包括傳統的固態反應陶瓷加工、水熱/溶劑熱處理和離子熱處理。然而，通過這種方法不容易獲得具有獨特屬性的亞穩態結構。最近對其他過渡金屬氧化物的研究表明，電化學循環可能為獲得新的結構和框架提供新的合成途徑。
近日，美國博伊西州立大學熊輝教授和加州大學圣地亞哥分校Shyue Ping Ong合作在Nature Materials上發表最新研究成果，Electrochemically induced amorphous-to-rock-salt phase transformation in niobium oxide electrode for Li-ion batteries，探究氧化鈮負極的電化學誘導非晶-巖鹽相變過程。
在這里，作者報告了納米結構Nb2O5在進行Li+循環時電化學驅動的非晶到晶相（amorphous- to-crystalline，a-c）轉換，并演示了插入三個鋰的Nb2O5（每個Nb原子進行1.5個電子轉移）。非晶Nb2O5（a-Nb2O5）在電極循環到0.5 V vs Li/Li+的電位時自發轉化為巖鹽結構（RS-Nb2O5），透射電子顯微鏡（TEM）和同步輻射X射線衍射確定了這一點。密度泛函理論（DFT）的計算表明，RS-Nb2O5表現出異常高的Li+存儲容量和低Li+擴散能壘。
X射線光電子光譜（XPS）和X射線吸收譜（XAS）的結果表明，RS-Nb2O5的高容量與其超越了Nb5+/Nb4+氧化還原有關。此外，與非晶對應物相比，RS結構受益于Li+擴散率和電導率的提高。
該電極在20 mA g?1電流下，容量為269 mAh g?1，并在1 A g?1的高倍率下保持191 mAh g?1的容量。它表現出卓越的循環穩定性，在200 mA g?1下，400個循環后，容量為225 mAh g?1，庫侖效率為99.93%。
該工作表明，通過電化學循環誘導非晶態納米材料結晶，是制備高性能金屬氧化物電極材料的一個有前途的途徑。
圖2. NCNO的電壓曲線和電化學循環過程的差分容量圖
圖3. 不同電化學循環階段NCNO樣品的SAED和高分辨率TEM圖像；循環NCNO樣品的掠入射X射線衍射以及不同放電狀態下的樣品的Nb K邊EXAFS
圖4. RS-Nb2O5中Nb氧化態的表征，Perdew-Burke-Ernzerhof計算的復合相圖以及LixNb2O5的電壓曲線
圖5. RS-Nb2O5和a-Nb2O5的電化學性能，并計算RS-Li3Nb2O5的遷移能壘
圖6. RS-Nb2O5和a-Nb2O5樣品的電導率表征
Barnes, P., Zuo, Y., Dixon, K. et al. Electrochemically induced amorphous-to-rock-salt phase transformation in niobium oxide electrode for Li-ion batteries. Nat. Mater. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01242-0
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