Advanced Energy Materials:实现微米级电极材料的快速离子传输:具有类玻璃-陶瓷相的钒酸盐锂离子电池正极材料

在锂离子电池中,微米级电极材料具有压实密度高、与电解液副反应程度低等优势,但是其离子扩散能力通常不足以满足离子短时间快速脱嵌的要求;而纳米电极材料虽然具有短程离子扩散距离的优势,但是过高的比表面积使其在电极制备和循环过程中易发生颗粒团聚并与有机电解液发生严重副反应。因此,设计一种具有快速离子通道和低比表面积的微米级致密纳米晶材料可有效解决上述问题,实现微米级电极材料在高倍率锂离子电池中的应用。

近日,清华大学材料学院唐子龙教授课题组采用了一种自上而下的微米-纳米材料合成策略——首先合成微米级钒酸盐前驱体,再通过低温相转变过程引入类玻璃-陶瓷相中间态,同时晶粒发生细化,从而得到微米级致密纳米晶电极材料。与传统自下而上合成纳米-微米材料的方法(如喷雾造粒,共沉淀自组装等)相比,该合成策略更为简单且容易进行调控。这种具有类玻璃-陶瓷相的钒酸盐电极材料具有丰富的晶界/相界面,以及较小的比表面积,在保证锂离子快速传输的同时有效减少了与电解液之间的副反应。基于上述优势,该钒酸盐正极材料表现出优异的电化学动力学和循环稳定性,在4 A g-1的大电流密度下,循环500次后容量仍高达103 mAh g-1

这一合成策略有望对其他前驱体为水合物的电极材料具有普适性,也为储能材料的微米-纳米结构设计提供新思路。相关成果以“Glass‐Ceramic‐Like Vanadate Cathodes for High‐Rate Lithium‐Ion Batteries”为题在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903411)上。