陈忠伟院士、王新教授， AEM：兼具O-Nb-C 异质界面和缺陷工程的协同纳米反应器以实现高效长寿命钠离子电池- 大数跨境

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陈忠伟院士、王新教授， AEM：兼具O-Nb-C 异质界面和缺陷工程的协同纳米反应器以实现高效长寿命钠离子电池

科学材料站

2022-02-19

导读：该工作设计了一种兼具 O-Nb-C 异质界面和氧空位的协同纳米反应器(Nb2O5-x@MEC) 作为SIBs的负极材料。

文章信息

构筑兼具O-Nb-C 异质界面和缺陷结构的协同纳米反应器以实现高效长寿命钠离子电池

第一作者：罗丹、马楚茵

通讯作者：陈忠伟*，王新*

单位：滑铁卢大学，华南师范大学

研究背景

在过去几十年的发展中，锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长、无记忆效应等优势而作为一种化学电源广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域，彻底改变了人们的生活方式。

然而，随着需求量的不断增加，在不久的将来，成本问题必然是限制锂离子电池发展的重要因素。因此，寻找一种低价、环保、综合性能优异的新一代储能电池体系迫在眉睫。钠离子电池（SIBs）因其工作电压高、环境友好和成本效益高等优点而备受关注。

然而，SIBs负极材料的固有缺陷（如导电性差、动力学缓慢和体积变化大）使其电化学性能不足、结构稳定性差，难以满足实用化的需求。为此，开发具有高容量、倍率性能出色、循环稳定性优异的负极材料具有重要的研究意义及实用化价值。

文章简介

基于此，来自滑铁卢大学的陈忠伟院士与华南师范大学的王新教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Integrating Nanoreactor with O–Nb–C Heterointerface Design and Defects Engineering Toward High-Efficiency and Longevous Sodium Ion Battery”的观点文章。

该工作设计了一种兼具 O-Nb-C 异质界面和氧空位的协同纳米反应器(Nb₂O_5-x@MEC) 作为SIBs的负极材料。该Nb₂O_5-x@MEC 材料具有出色的电化学性能，包括超过 1.1 mAh cm^-2 的高面容量、高达 20 A g^-1的优异倍率性能和超过 5000 次循环的超长寿命，有望应用于钠离子电池中从而推动其产业化进程。

本文要点

采用超声浸渍与高温烧结方法制备出具有异质界面及富含氧缺陷的Nb₂O_5-x@介孔碳复合材料。Nb₂O_5-x 在介孔碳纳米球孔洞内部具有均匀的颗粒尺寸和丰富的活性界面，同时Nb₂O_5-x@MEC骨架的构建提供了快速的离子/电子传输通道，从而有利于氧化还原反应动力学。

多孔结构提供的丰富空间实现了活性物质载量及其微纳结构的的可控调节，而多级结构的构筑也缓解了储钠过程中的体积效应，提高了材料的结构稳定性。电池测试表明Nb₂O_5-x@MEC 具有出色的性能，即超过 1.1 mAh cm^-2 的高面积容量、高达 20 A g^-1 的优异倍率性能和超过 5000 次循环的超长寿命。

该工作将缺陷工程、异质界面结构和纳米限域结构设计的协同组合策略显著提高了 Nb₂O_5-x@MEC 材料的电化学活性和稳定性，有望推进兼具快充和长循环寿命的钠离子电池的发展，也为其他电化学能源存储领域的关键材料研发提供了思路。

图1. Nb₂O_5-x@MEC复合材料的制备示意图

图 2 Nb₂O_5-x@MEC复合材料的形貌图

经过一些列表征表明Nb₂O₅以均一粒径的形式成功修饰在了介孔碳球上。Nb₂O_5-x@MEC骨架提供了大量活性位点，缓解了钠离子在嵌入/脱出过程中的体积膨胀，缩短了电解液的扩散路径，加速了电极间离子/物质传输，进而提升了氧化还原动力学。

图 3 Nb₂O_5-x@MEC复合材料的结构特征图

O-Nb-C异质界面的形成不仅为有效强化了Nb₂O_5-x颗粒与碳表面的相互作用，还进一步提升了Nb₂O_5-x的电子传导能力，有助于促进钠化/脱钠过程。可逆的结构转化赋予了高钠化/脱钠效率和良好的电化学稳定性，提供快速和持久的钠离子存储能力。

通过充放电过程的非原位 EXAFS分析发现，得益于 O-Nb-C异质界面的存在， Nb₂O_5-x@MEC在嵌钠/脱钠过程中具有可逆的 Nb-O化学键键长变化，证明其具有优异的储钠能力及结构转变的可逆性，从而确保材料在长循环过程中的结构稳定并具有高放电容量。这种结构高度可逆转变的能力也为其实现优异的倍率性能提供了保障，从而有效缓解了大电流密度下钠离子嵌入/脱出材料体相动力学缓慢的问题。

图 4 Nb₂O_5-x@MEC复合材料的电化学性能图

将Nb₂O_5-x@MEC 作为 SIBs 的负极材料时，与氧化铌微孔碳复合材料（Nb₂O₅@MIC）相比，Nb₂O_5-x@MEC放电比容量更高、阻抗更小、倍率性能更优异，可实现高达5000次的超长循环稳定性。

图 5 Nb₂O_5-x@MEC复合材料的高载量性能图

当氧化铌负载量在 30wt% 时，Nb₂O_5-x@MEC-30% 显示出最佳的放电容量和倍率性能。Nb₂O_5-x@MEC 在约 8 mg cm^-2 的高载量下时，仍然提供超过 1.1 mAh cm^-2 的高初始容量和高达 4 A g^-1 的良好倍率性能。此外，在 300 次循环后仍具有良好的循环稳定性。

文章链接

Integrating Nanoreactor with O–Nb–C Heterointerface Design and Defects Engineering Toward High-Efficiency and Longevous Sodium Ion Battery

https://doi.org/10.1002/aenm.202103716

通讯作者简介

陈忠伟 院士

加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，入选全球高被引科学家。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文400余篇，被引41000余次，H-index指数100，并担任ACS Applied Materials & Interfaces副主编。课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

王新教授

华南师范大学研究员，广东省杰出青年，主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目；目前已申请专利66件，授权发明专利36件，并以第一作者或通讯作者发表论文80余篇，被引次数4500 次，H 值为 35。相关代表性研究成果以第一/通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.，Adv. Mater. Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B, Energy Storage Mater. 等行业高水平期刊上。

第一作者简介

罗丹博士

师从陈忠伟院士，长期致力于锂硫电池等新能源器件关键材料的开发与应用，擅长储能材料微纳结构构筑及其反应机理解析，深入揭示储能材料新结构、新机理与性能之间的内在关联，为储能材料的系统化工程研究奠定基础。近五年以第一作者/通讯作者在国际知名学术期刊Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Energy、Small等刊物发表SCI论文26篇, 被引3300余次，H因子32。

马楚茵华南师范大学华南先进光电子研究院硕士研究生

2020年加入王新教授课题组，主要研究方向为电化学储能与转换，聚焦于钠离子电池电极材料的研究以实现优异电池性能，在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际知名杂志发表文章多篇。