佐治亚理工学院刘美林教授&陕科大景盼盼副教授&台师大王祯瀚教授，Nano Energy缺陷工程解锁铌基氧化物的分钟级锂离子电池充电- 大数跨境

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佐治亚理工学院刘美林教授&陕科大景盼盼副教授&台师大王祯瀚教授，Nano Energy缺陷工程解锁铌基氧化物的分钟级锂离子电池充电

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2026-03-11

导读：佐治亚理工学院刘美林教授&陕科大景盼盼副教授&台师大王祯瀚教授，Nano Energy缺陷工程解锁铌基氧化物的分钟级锂离子电池充电

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文章信息

第一作者：景盼盼

通讯作者：刘美林*，景盼盼*，王祯瀚*

单位：美国佐治亚理工学院，陕西科技大学，台湾师范大学

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研究背景

近年来，锂离子电池（LIBs）已广泛应用于各种电子产品和可再生能源的存储。然而，其充电速率、功率输出和安全性能在很大程度上依赖于电极材料的倍率能力，仍滞后于电动汽车、卡车、无人机及类似应用的需求。剪切结构的铌基氧化物由于其出色的倍率性能和结构可逆性，有望成为高功率和快充锂离子电池的候选材料。然而，其差的电子电导、体相内缓慢的Li+扩散以及活性位点的不完全利用，使其容量和能量密度相对有限，工业化应用受到限制。

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文章简介

近日，美国佐治亚理工学院刘美林教授、陕西科技大学景盼盼副教授、台湾师范大学王祯瀚教授等人在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Unlocking Minute-Scale Charging in Lithium-Ion Batteries via Defect-Engineered Niobium-Based Oxides”的文章。该文章通过固相反应和改进的表面氧空位工程，成功制备了一种高容量的微米级Nb14W3O44-δ负极颗粒。这种改进的表面氧空位工程通过产生额外的电荷载流子、激活表面氧化还原位点并实现无势垒离子扩散，显著提升了电子电导率和离子电导率，进而在不牺牲结构稳定的前提下，共同推动赝电容锂离子存储。所制得的Nb14W3O44-δ负极表现出优异的性能：初始容量高达303 mAh g-1，库伦效率超过93%，体积变化可忽略不计（约0.2%），在75 C（1C = 200 mAh g-1）下循环7500次仍能保持90%的初始容量。同时，匹配的LiFePO4 ׀׀ Nb14W3O44-δ全电池具有160 Wh kg-1的能量密度，并能够在10 C下实现分钟级快充，稳定循环次数超2000次。本研究表明，表面氧空位工程是提升剪切结构铌基氧化物（如Ti2Nb10O29）电化学性能的有效策略，为构建实用性、高功率锂离子电池提供了新思路。

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本文要点

要点一：表面氧空位工程助力Nb14W3O44-δ负极实现赝电容增强型高比容量

要点二：氧空位对Nb14W3O44-δ传输动力学的影响

要点三：Nb14W3O44-δ负极使锂离子电池（LIBs）实现了优异的分钟级快充能力和超长循环稳定性

要点四：表面氧空位工程适用于其他剪切相铌基氧化物负极材料（如Ti2Nb10O29）

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图文分析

图1. Nb14W3O44负极的本征电化学储锂行为及目标样品Nb14W3O44-δ的微观结构表征。(a, b) Nb14W3O44负极与几种常见铌基氧化物负极（T-Nb2O5、H-Nb2O5、Ti2Nb10O29）的典型GCD及对应的dQ/dV曲线，(c) Nb14W3O44负极存在问题的示意图和 (d) 本研究提高容量的设计思路。(e) Nb14W3O44-δ颗粒边缘处的HAADF-STEM和ABF-STEM图像。Nb14W3O44和Nb14W3O44-δ样品的 (f, g) XPS全谱及精细谱，(h) EPR谱和 (i) Nyquist曲线。

图2. Nb14W3O44-δ模型与的理论研究。(a) DOS，(b) Li+在W位和P位的吸附能（Eads），(c) Li+沿[001]方向的活化能（Eact），(d) Nb14W3O44-δ模型中Li+在-Block平面上从H5和H8位点向近邻位点（H5: W4, W6, W6’; H8: W1’, P2’, W2’）迁移的可能路径及 (e) 对应的Eact，(f) Li+在Block平面上分别从近邻位点（W6、W4、W6’、W1’、P2’、W2’）向次近邻位点迁移的Eact，(g, h) 基于能量结果的两种负极模型之间Li+扩散模式的对比。

图3. Nb14W3O44-δ和Nb14W3O44负极的赝电容储锂性能和界面电阻对比。(a, b) 0.3~7.0 mV s-1范围内不同扫速下的CV曲线，(c) 利用阳/阴极峰值电流与扫速的线性关系确定的b值，(d, e) 分别在0.3和7.0 mV s-1下测试的CV曲线与拟合的电容控制的CV曲线的对比，(f) 不同扫速下电容控制的存储贡献，Li+嵌入过程中的 (g) 阻抗谱及 (h, i) 对应的DRT分析。

图4. Nb14W3O44-δ负极和对照组 (微米级Nb14W3O44负极和Nb14W3O44-bulk负极) 在半电池中的电化学储锂性能对比。(a, b) 0.25 C下的前三圈GCD曲线和相应的dQ/dV曲线，(c, d) 倍率性能及与相关文献的对比，(e) 在10 C下循环1400次和 (f) 在75 C下循环7500次的长循环测试。

图5. Nb14W3O44-δ负极的可逆性及全电池性能评估。(a, b) Nb的K边和W的L边X射线近边吸收结构谱(XANES)，(c) 0.5 C下的一次充放电过程中，在20-50°范围内的原位二维和三维XRD等高线图及对应的GCD曲线，(d) 在10 C下循环1400圈后电极表面与截面的SEM图，(e-g) 倍率性能及其与相关文献的对比，(h, i) 在1.0-2.5 V的最优电压窗口下运行的LiFePO4 ׀׀ Nb14W3O44-δ全电池分别在5 C和10 C下的超长循环性能。

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文章链接

Unlocking Minute-Scale Charging in Lithium-Ion Batteries via Defect-Engineered Niobium-Based Oxides

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111857

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通讯作者简介

景盼盼：陕西科技大学副教授，硕士研究生导师，陕西科技大学“低维材料与光/电化学技术研究团队”和新材料陕西实验室“新型电化学储能技术创研团队”负责人。2016年博士毕业于兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室，2019.02-2021.8在美国佐治亚理工学院刘美林教授团队从事博士后，主要从事电化学储能材料（锂离子电池、钠离子电池）和光催化材料的低维结构设计、制备、晶格缺陷与界面调控、机理等。在Energy Environ. Sci.、Mater. Today、Nano-Micro Lett.、Nano Energy、Small、J. Hazard. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Mater. Today等国际材料、能源、环境领域知名期刊发表SCI收录论文40余篇。

王祯瀚：禎翰（J.-H. Wang），博士（后），优聘教授，就职于台湾师范大学理学院化学系，博士毕业于美国埃默里大学，佐治亚理工学院博士后，主要从事于通过量子机械计算和模拟，研究先进功能材料在二次电池、燃料电池、电化学器件和自旋器件方面的应用机理和本征属性。已在J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Mater. Today、Angew. Chem. Int. Ed.、Small、ACS Nano、ACS Appl. Mater. Interface、Nano-Micro Lett.、Nano Lett.、Nano Energy、Chem. Eng. J.、Energy Storage Mater.、Adv. Fun. Mater.、J. Phys. Chem. C等国际材料、化学与能源领域权威期刊上发表百余篇论文，他引超8000余次，获得国际各类荣誉和奖项5项。

刘美林：欧洲科学院院士、佐治亚理工学院董事教授。国际先进材料协会(IAAM)会员，国际电化学学会会士，美国陶瓷学会会士。刘美林教授研究方向广泛，包括离子和电子导体中电荷和质量输运的建模，仿真和原位表征; 薄膜和涂层的制作和研究; 多孔纳米结构电极的制备、表征和应用以及能量存储和转换器件开发。主持美国国家自然科学基金和美国能源部，以及美国康菲石油、韩国三星、日本尼桑等世界500强公司资助的项目多项。在Science、Nature、 Nature Energy、 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS等国际顶级刊物发表论文600多篇，论文被引用次数超过80000次（H-index 156），连续多年被评为全球高被引科学家。获得Charles Hatchett Award (UK IM3, 2018), HTM Outstanding Achievement Award (ECS, 2018), Kolon Faculty Fellow (2017) 等国际奖项多项。