陈立宝教授、梅琳教授，AFM观点：铌钨氧化物助力−60℃超低温稳定运行锂离子电池- 大数跨境

首页

陈立宝教授、梅琳教授，AFM观点：铌钨氧化物助力−60℃超低温稳定运行锂离子电池

科学材料站

2025-10-30

导读：陈立宝教授、梅琳教授，AFM观点：铌钨氧化物助力−60℃超低温稳定运行锂离子电池

科学材料站

文章信息

铌钨氧化物助力−60℃超低温稳定运行锂离子电池

第一作者：杨吉旭

通讯作者：梅琳陈立宝

单位：中南大学

科学材料站

研究背景

锂离子电池虽广泛应用于电子设备、电动汽车等领域，但在极低温环境下存在容量大幅衰减、循环稳定性差及石墨阳极易析锂的安全隐患，其低温性能劣化源于电解液黏度升高、锂离子脱溶剂化缓慢及电极内扩散动力学差，现有改进手段难以突破瓶颈，且已报道的低温电极材料多依赖纳米化制备（成本高、体能量密度低）。而具有晶体学剪切结构的微米级铌钨氧化物虽具优异倍率性能，但其低温下的储锂机制与实际应用潜力尚未明确，亟需针对性研究以推动超低温锂离子电池发展。

科学材料站

文章简介

2025 年 10 月 24 日，中南大学陈立宝、梅琳教授团队在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》发表研究成果，论文题为 “Niobium−Tungsten Oxides for Ultralow−Temperature Lithium−Ion Batteries Operation at −60°C”（DOI：10.1002/adfm.202520646），团队成员杨吉旭为第一作者，陈立宝、梅琳担任共同通讯作者。该研究成功开发出一种适用于超低温环境的锂离子电池负极材料，为极端寒冷场景下的储能应用提供了全新解决方案。

锂离子电池虽已广泛应用于电子设备、电动汽车及大规模储能领域，但其低温性能短板始终突出，石墨负极还易因析锂引发安全隐患。这一问题源于低温下电解液黏度升高、锂离子脱溶剂化缓慢及电极内扩散动力学变差，而现有改进手段难以突破石墨基电池的低温瓶颈。此前报道的纳米级低温电极材料面临成本高、体能量密度低等产业化难题，开发低成本、高性能的微米级低温电极成为当务之急。针对这一挑战，团队提出以具有晶体学剪切结构的微米级铌钨氧化物（NWO）作为负极材料，系统探究其低温储锂机制与应用潜力。研究发现，NWO 具有独特的 Wadsley−Roth 结构，形成三维互联的锂离子扩散通道，且锂离子沿 ab 平面和 c 轴的扩散能垒仅为 0.284 eV 和 0.291 eV，远低于传统材料，实现了 “自由路径低阻碍迁移”。

通过−40°C 下的原位 X 射线衍射、原位拉曼光谱结合模拟计算，团队进一步揭示了其优异低温性能的内在机制：锂离子优先嵌入晶格空隙，充放电过程中晶格变化可逆，始终保持固溶体嵌入特性，即便在超低温下仍能维持高效扩散。同时，飞行时间二次离子质谱分析证实，NWO 表面会形成富 LiF 的无机固态电解质界面（SEI），有效抑制副反应，提升界面传导效率。电化学性能测试显示，在 − 70°C 的极端低温下仍可实现充放电，−60°C 时比容量达 80.64 mAh・g⁻¹；基于 NWO 负极与 LiCoO₂正极构建的全电池，在 − 60°C 下可保持室温容量的 64.5%，循环 70 次后容量保持率仍高达 97.9%。更值得关注的是，这种微米级材料无需纳米化、碳包覆等改性处理，兼顾了性能与产业化成本优势。

该研究通过材料结构设计与机制解析的双重突破，不仅证实了铌钨氧化物作为下一代低温负极的巨大潜力，更为超低温锂离子储能器件的设计提供了关键理论与技术支撑。未来，这一成果有望推动新能源汽车、极地科考设备、高空探测仪器等极端环境下储能技术的革新，显著拓宽锂离子电池的应用边界。

图 1 NWO 的自由路径低阻碍迁移：a) NWO 的 XRD 图谱及 Rietveld 精修结果，插图为基于 SEM 观察到的微米级 NWO 形貌；b) NWO 的晶体结构示意图；c) 锂离子沿 ab 平面和 c 轴进行自由路径低阻碍迁移的示意图；d) NWO 中计算得出的锂离子迁移活化能垒

图 2 NWO 在低温下的电化学性能：a) NWO 在 + 30 至–70°C、0.1C 倍率下的充放电曲线；b) NWO 与 Gr、LTO 在不同低温下的比容量及容量保持率对比；c) NWO 在–40°C、不同电流密度下的充放电曲线；d) NWO 和 LTO 在–40°C 下的倍率性能对比；e) NWO 的 GITT 曲线及由 GITT 计算得到的 Li⁺离子扩散系数；f) NWO 在–60°C 下的循环性能

图 3 原位拉曼揭示锂插层位点：a) NWO 在充放电过程中的原位拉曼光谱；b) NWO 在特定电位下的拉曼光谱；c) 锂离子插层及配位位点的示意图；d) 因 Li 离子配位导致的相邻 Nb (W) 与 O 的电荷差分布；e) NWO 的键价位点能（BVSE）分析结果

图 4 原位 XRD 揭示低温下锂插层机制：a) NWO 在–40°C 充放电过程中的原位 XRD 图谱及对应电压曲线；b) (101) 和 (530) 晶面的 XRD 峰局部放大图；c) 通过原位 XRD 精修获得的 NWO 晶格在充放电过程中的演化情况。

图 5 界面成分分析：a) NWO 电极循环 50 周后的 TOF−SIMS 深度剖析谱；b) C₂HO⁻、LiF₂⁻、LiSO₃⁻、LiCO₃⁻信号的 TOF−SIMS 映射图；c) C₂HO⁻、LiF₂⁻、LiSO₃⁻、LiCO₃⁻的 TOF−SIMS 图

图 6 全电池电化学性能：a) NWO‖LCO 全电池的结构示意图；b) NWO‖LCO 全电池在不同温度下的充放电曲线；c) NWO‖LCO 全电池在–40°C、0.2C 电流密度下的循环稳定性；d) NWO‖LCO 全电池在–40°C、0.5C 电流密度下的循环稳定性；e) NWO‖LCO 全电池在–40°C、不同电流密度下的恒流充电比率；f) NWO‖LCO 全电池在–60°C、0.1C 电流密度下的循环稳定性；g) NWO‖LCO 全电池与其他报道工作的低温性能对比

科学材料站

本文要点

本文聚焦锂离子电池在极低温环境下的性能瓶颈，提出以具有晶体学剪切结构的微米级铌钨氧化物（NWO）作为下一代低温可充电电池负极材料，通过高温烧结法制备 NWO 并表征其 I−4 四方结构与 3D 锂离子扩散通道，发现其锂离子扩散能垒低且具备自由路径低阻碍迁移特性，借助 −40°C 原位 X 射线衍射、原位拉曼光谱结合模拟计算揭示其低温高可逆性与固溶体储锂机制，通过飞行时间二次离子质谱证实循环后形成富 LiF 的 SEI 膜，电化学测试显示 NWO 在 −70°C 仍可充放电，基于 NWO 与 LiCoO₂构建的全电池在 −60°C 下保持室温容量的 64.5% 且 70 次循环后容量保持率达 97.9%，该研究为超低温高性能锂离子电池负极及储能器件设计提供新途径。

科学材料站

文章链接

Niobium–Tungsten Oxides for Ultralow−Temperature Lithium−Ion Batteries Operation at −60 °C

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202520646

科学材料站

通讯作者简介

陈立宝教授简介：

中南大学“升华学者”特聘教授，功能材料所所长。国家“万人计划”科技创新领军人才，英国皇家化学学会会士（FRSC），湖南省“杰出青年”基金获得者、湖南省科技创新领军人才（拔尖）。中国有色金属学会会员，中国有色金属学会创新发展工作委员会委员会委员，美国电化学学会会员（ECS）。曾获“中国有色金属协会技术发明一等奖”（2022，第1）、“中国产学研合作创新奖”（2021，第1）、“中国有色金属学会高等教育教学成果一等奖”（2022，第1）。主要研究方向为特种锂电池及其关键材料研究，主持了国家自然科学基金联合基金重点项目1项、面上项目2项，国家重点研发计划课题，国家级重点项目课题3项，合计承担科研项目15项；以通讯作者在Advanced Materials、Nature Communications、Materials. Today等专业顶尖期刊上发表高水平SCI论文100余篇，总他引次数6000余次；以第一发明人身份获批国家发明专利14项、国防专利2项。一直与企业保持密切合作，两项技术成果已完成产业化。

梅琳教授简介：教授，博导。湖南省芙蓉计划领军人才，中国科协“青年人才托举工程”。长期从事锂电池关键材料的基础研究及极端条件下电池共性技术开发，在新能源新材料领域发表Science, Advanced Science, Small，Energy Storage Materials 等学术论文60余篇，累计被引6000 余次；主持国家/省部级科研项目8项；获2021年湖南省自然科学二等奖，2022年度中国有色金属工业科学技术发明一等奖；指导学生项目“耐低温高安全储能电池”获2023年全国大学生创新创业能力大赛一等奖。