厦门大学赵金保教授团队EnSM高安全快充型双离子电池：通过Li+动态嵌入实现Mg2+在钛-铌氧化物正极材料中快速充放电

第一作者：武东政

通讯作者：赵金保*，杨阳*，曾静*

单位：厦门大学

镁二次电池由于价格低廉、安全性高被认为是非常有吸引力的下一代新型电池。但是，由于Mg²⁺特有的高电荷密度而导致其在大部分材料中都难以实现可逆的嵌入脱出。正极材料的局限性严重限制了镁二次电池的进一步发展，因此亟需探索新型的储能机理来克服镁二次电池固有的缺陷。

基于此，厦门大学赵金保教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Realizing rapid electrochemical kinetics of Mg²⁺ in Ti-Nb oxides through a Li⁺ intercalation activated strategy toward extremely fast charge/discharge dual-ion batteries”的研究文章。

该文章报道通过在APC电解液中引入Li⁺能够激活Mg²⁺在TiNb₂O₇中的嵌入。Li⁺在TiNb₂O₇中的嵌入电位（1.21 V）高于Mg²⁺（0.74 V）所以在每次放电时Li⁺会优先嵌入TiNb₂O₇中，Li⁺的优先嵌入不仅可以有效地提高TiNb₂O₇的电子电导率，而且还能够削弱Mg²⁺在TiNb₂O₇中的扩散时与氧晶格的相互作用力，进而保证材料在上千次循环后仍保持高度的稳定性，

值得一提的是，该材料在40 C的电流密度下仍然能够稳定发挥100 mAh g^-1左右的放电比容量。通过热力学与动力学两方面的提升，加上镁金属特有的安全性，实现了高安全快充型双离子电池。本文为高安全快充型双离子电池提供了研究方向，有助于加速双离子电池领域的研究及实际应用。

图1. TiNb₂O₇双离子电池储能机理；Li⁺在嵌入TiNb₂O₇过程中实现电子自加速；5C下2000次的稳定循环。

Li⁺优先于Mg²⁺嵌入TiNb₂O₇中，并且在TiNb₂O₇后激活了Mg²⁺的储存，打破了TiNb₂O₇不能储镁的枷锁，并且Mg²⁺在嵌入时几乎不会引起材料的体积变化，这为TiNb₂O₇在双离子电池体系中的稳定循环提供了保障。

要点二：Li⁺预嵌入实现电子自加速

Li⁺在预嵌入TiNb₂O₇后实现材料本征电子电导率的改善，将半导体TiNb₂O₇转变为稳定传导电子的导体，从而有效地提高TiNb₂O₇在双离子电池体系中工作时优异的倍率性能，该体系能够在40 C的超高倍率下实现稳定的充放电，并且在10 C的高电流密度下可以稳定循环超800次并保持放电比容量不衰减。

要点三：Li⁺预嵌入对热力学和动力学的双重提升

Li⁺预嵌入的优越性从理论计算方面得到证明。Li⁺预嵌入TiNb₂O₇后，Mg²⁺嵌入TiNb₂O₇的形成能更低，这从热力学上证明了Li⁺嵌入后Mg²⁺更趋向于嵌入TiNb₂O₇。与此同时，Li⁺的预嵌入也削弱了Mg²⁺与TiNb₂O₇中晶格氧的相互作用力从而提升了Mg²⁺在TiNb₂O₇的扩散动力学。

要点四：前瞻

镁二次电池正极材料方面的研究仍旧处于初级阶段，尤其是在金属氧化物材料方面，由于Mg²⁺的电化学特殊性导致很多优异的氧化物电极材料无法在镁二次电池中使用，而该工作通过Li⁺预嵌入策略打破了钛-铌氧化物不能储镁的桎梏，并且通过研究发现了Li⁺预嵌入策略的诸多优势，这为双离子电池体系的研究提供了前沿性的见解，也能够吸引研究者关注到双离子电池这一前沿领域。

Realizing rapid electrochemical kinetics of Mg²⁺ in Ti-Nb oxides through a Li⁺ intercalation activated strategy toward extremely fast charge/discharge dual-ion batteries

赵金保教授，厦门大学化学化工学院特聘教授、Guo-jia特聘专家。1996年毕业于京都大学高分子化学专业，获博士学位，其后在日本日立集团等工作十多年，于2011年全职回国。现任新能源汽车动力电源技术国家地方联合工程实验室主任、电化学技术教育部工程研究中心主任、Guo-jia重点研发计划可再生能源与氢能专项专家组成员、Jiaoyubu科学技术委员会能源与交通学部委员等职。

长期从事电化学储能及其关键材料的研究与开发，在锂离子电池的基础研究、体系设计和工程化等方面取得了系列性创新成果，申请发明专利150多项，近百项获得授权，（包括40多项日本和美国授权专利），涵盖功能性电解液、高安全性隔膜材料、硅-石墨负极材料、电池包装用铝塑膜材料、多价金属电池等多个方向。

在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Energy & Environmental Science、Energy Storage Materials等国际刊物上发表了200余篇论文。2014年获得中航工业集团科学技术奖二等奖和中国侨联创新成果奖、2017年获得福建省科技进步二等奖、2018年获得厦门市科技重大贡献奖和第二十届中国专利优秀奖。

杨阳副教授，博士生导师，入选厦门大学南强青年拔尖人才计划。长期从事高安全性快充型锂离子电池、本征安全水系锌电池和电化学原位表征技术的相关工作。主持多项国家、省部级科研项目。已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano letters、Energy Storage Materials等期刊发表论文30余篇。

曾静博士，长期从事镁电池领域高性能电极材料和电解液研究，主持Guo-jia青年基金1项、福建省自然科学基金1项，在Energy Storage Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical engineering Journal等期刊发表多篇研究论文。

武东政，2017年在大连理工大学获学士学位，同年进入厦门大学化学化工学院赵金保课题组攻读博士学位，主要研究方向为金属氧化物在镁二次电池中的应用及储能机理研究。已在Energy Storage Materials、Nano Research、ACS Applied Materials & Interfaces期刊发表4篇论文。

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