青岛科技大学林健健教授团队：钒掺杂诱导氧空位调节MoO2电子结构作为高性能锂离子电池负极

通讯作者：高孟友*，林健健*

单位：青岛科技大学

作为一种高效的锂离子存储材料，二氧化钼(MoO₂)仍然存在固有电子导电性差和体积膨胀大的问题，导致其循环寿命和倍率性能不理想。杂原子掺杂策略成为解决上述问题的一种流行方法。本文通过金属氧酸盐约束热解策略将V掺杂MoO₂纳米颗粒成功封装在聚乙烯吡咯烷酮衍生碳框架中。在MoO₂中掺杂V原子可以调节其电子结构，诱导氧空位的形成，从而提高其电导率，改善反应动力学。此外，具有足够空间的分级多孔碳骨架不仅可以抑制V-MoO₂纳米颗粒的聚集，还可以缓解锂离子引起的机械应力插入的过程。因此，优化后的V-PCM电极具有优异的锂存储性能，包括高初始比容量(0.1 A g⁻¹时为1761.0 mAh g⁻¹)，卓越的倍率容量(2.0 A g⁻¹时为516.7 mAh g⁻¹)和优异的长期循环稳定性(1.0 A g⁻¹时，1000次循环后为530.0 mAh g⁻¹)。本工作展示了一种可行的金属原子掺杂方法，使高性能锂离子电池负极材料的制备成为可能。

近日，林健健教授课题组采用金属氧酸盐约束热解策略制备了一种新型分级多孔掺钒MoO₂@C (V-PCM)复合材料。该策略将钒掺杂MoO₂(V-MoO₂)纳米颗粒封装到导电的氮掺杂碳骨架中。均匀分散的V-MoO₂纳米颗粒保证了储锂位点与电解液充分接触并增加了接触面积。同时，层次化多孔碳基体不仅缩短了锂离子的扩散路径，还可以缓冲V-MoO₂纳米颗粒储锂时的体积变化。此外，钒掺杂可以增强MoO₂的电子导电性，诱导氧空位的形成，显著改善锂离子的扩散动力学。优化后的V-PCM复合材料具有出色的锂存储性能，在0.1 A g⁻¹时具有1761.0 mAh g⁻¹的高初始放电容量，同时具有卓越的倍率性能（在2.0 A g⁻¹时还具有516.7 mAh g⁻¹的比容量）以及优异的长期循环稳定性(1.0 A g⁻¹下循环1000次后容量为530.0 mAh g⁻¹)。本工作为杂原子掺杂阳极材料的构建提供了一种简单有效的策略。

钒掺杂在MoO₂晶体结构中，与周围原子发生相互作用，这种相互作用导致氧原子从原来的位置移动或被取代，从而形成更多的空位。钒掺杂通过调制电子结构和形成氧空位增强了复合材料的电导率和离子扩散系数。

采用原位掺杂的方法，将V-MoO₂纳米颗粒成功封装在氮掺杂碳骨架中，设计了分级多孔钒掺杂MoO₂@C (V-PCM)复合材料。分层多孔结构和均匀分散的V-MoO₂纳米颗粒可以提供大量的活性位点，并增加电极/电解液的接触面积，有效提升了材料的储锂性能。

合成的分级多孔碳骨架中，含有丰富的预留孔容，为充放电时MoO₂体积变化预留了空间，有效缓解了MoO₂体积膨胀时产生的应力，避免了颗粒粉碎、从集流体脱落，显著提高了其循环稳定性。

Oxygen vacancies induced by vanadium doping regulate electronicstructure of molybdenum dioxide for efficient lithium storage

林健健教授简介：

林健健，青岛科技大学教授，博士生导师，山东省“泰山学者”青年专家，“青岛市巾帼科研之星”。2015年9月毕业于University of Wollongong, Australia（澳大利亚伍伦贡大学）取得博士学位，师从窦世学院士和Jung Ho Kim教授。荣获2015年“国家优秀自费留学生奖学金”（全球前500名）。

林健健教授主页：http://hx.qust.edu.cn/info/1058/8953.htm