Energy Reviews | 铌基氧化物作为快充锂离子电池负极的研究进展
文章题目：Progress in niobium-based oxides as anode for fast-charging Li-ion batteries
关键词：Energy storage materials；Fast-charging；Li-ion batteries；Niobium-based oxides Modification；Nb2O5-Derived compounds；Advanced characterization techniques
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000147
近日，广东工业大学孙志鹏教授，徐俊岭博士联合美国佐治亚理工学院汪正平院士在Energy Reviews发表文章“Progress in niobium-based oxides as anode for fast-charging Li-ion batteries”，论文第一作者为研究生谢富强。该文章分析了铌基氧化物作为锂离子电池负极的工作原理、改性方法和电化学特性，重点关注了Nb2O5的晶相演变和基本电化学行为；形态调控、复合材料技术和碳包覆等改性技术；基于五氧化二铌的衍生化合物以及相关的前沿表征技术等。文章最后展望了铌基氧化物材料用于高速充电储能电池所面临的挑战和问题，以及未来的研究方向。
01 内容简介
Introduction（引言）
Fundamentals of niobium pentoxide（五氧化二铌基础知识）
2.1. Crystallology of niobium pentoxide（五氧化二铌晶体学特性）
2.2. Electrochemical properties of niobium pentoxide（五氧化二铌电化学性质）
Modification technologies of niobium pentoxide（五氧化二铌改性技术）
3.1. Morphology modulation（形貌调控）
3.2. Composite technologies（复合材料技术）
3.3. Carbon coating（碳包覆）
Nb2O5 derived compounds（基于五氧化二铌的衍生化合物）
4.1. Niobium titanium oxides（铌钛氧化物）
4.2. Niobium tungsten oxides（铌钨氧化物）
4.3. Other Nb2O5 derived compound（其他类型衍生化合物）
Advanced characterization techniques（先进表征技术）
5.1. Microscopical technique（显微技术）
5.2. Others（其他技术）
Conclusion and perspectives（结论和展望）
02 内容亮点
1、铌基氧化物尤其是Nb2O5，由于其优异的倍率性能和长循环寿命而成为快速充电锂离子电池的有前途的材料；
2、形貌调控、复合材料技术和碳包覆等改性技术可用于增强五氧化二铌电化学性能；
3、探索基于五氧化二铌的衍生化合物（如铌钛氧化物和铌钨氧化物）作为负极材料的潜力；
4、应用于揭示铌基氧化物在快充过程中的电化学行为和结构变化的先进表征技术；
5、铌基氧化物负极材料发展面临的挑战和未来产业应用方向。
3 内容导读
铌和氧可以形成多种氧化物，Nb2O5展现出一系列晶体相，其中最常见的是伪六方晶系的TT-Nb2O5、正交晶系的T-Nb2O5、四方晶系的M-Nb2O5、B-Nb2O5和单斜晶系的H-Nb2O5。在不同的合成温度下，可以形成6种常见的Nb2O5相，其中T-Nb2O5是目前研究最多的，由于其独特的插层式赝电容效应，表现出较快的离子插入机制和优异的循环稳定性。因此到目前为止，Nb2O5已经被合成成各种纳米结构，包括微球、纳米棒、纳米纤维、纳米空心球和薄片。
像其他电极材料一样，铌基氧化物可以通过改变合成方法来获得更好的电化学性能。目前有几种可用的Nb2O5合成方法，包括溶胶-凝胶法、水热法、静电纺丝法、两步水热法等。铌氧的低电导率和薄弱的结构可控性限制了其实际应用，经研究发现，碳包覆层可以弥补Nb2O5的弱电导性，同时调节Nb2O5的形貌，充分利用复合材料的优势。碳包覆是一种通过增强电子和离子传输效率以及形态调节来改性Nb2O5的有效方法。各种碳材料，如聚合物、多巴胺、石墨烯和糖，都可用于碳涂层。碳涂层的存在优化了电子导电率和离子传递率，从而提高了H-Nb2O5的电化学性能。碳涂层修饰技术为进一步探索Nb2O5负电极材料提供了理论指导。
铌钨氧化物可以分为两种晶体结构：一种是钨青铜结构，另一种是Wadsley-Roth结构。早在1968年，斯蒂芬森发现了几种铌钨氧化物相，该相由被金属-氧八面体包围的五边形单元组成，这些单元相互连接形成了一个五边形隧道，为锂离子传输提供了快速通道。2018年，格里菲斯等人对微米级铌钨氧化物的性能进行了研究，结果表明常规的纳米结构化策略导致了体积能量密度和安全性的降低。然而，微米级的Nb16W5O55和NbW16O93表现出优异的倍率性能和体积能量密度。这些材料的扩散系数比Li4Ti5O12和LiMn2O4等典型电极材料高几个数量级，表明适当的宿主晶格不需要符合通常的尺寸、结构或孔隙性要求就可以实现实用的高倍率电池电极。
铌基氧化物倍率性能优越，而对于这种快速非平衡过程传统表征技术无法实现。最近开发的原位光学散射显微镜技术可用来探索在高达30C的充电倍率下单个颗粒的充放电状态。在利用原位散射显微镜观测的棒状Nb14W3O44颗粒在从1C到30C的过程中颗粒变化时，可以通过研究散射强度随电荷状态的连续变化，从而观察到单个颗粒内的非平衡动力学相分离，这使得人们可以在整个快速充放电循环过程中量化单个颗粒的充电状态变化。
4 重要结论
综上所述，铌基氧化物系列电极材料以其独特的晶体结构和电化学性能在电化学储能领域得到了广泛的关注。铌基氧化物可以实现与电化学电容器相当的充电速率，而且其工作电压可以抑制电解质分解和锂枝晶的形成。通过形貌调控、碳包覆、复合等技术对Nb2O5进行改性，可以进一步提高Nb2O5的电化学性能。但原材料铌的高成本仍然是一个重要问题。因此，进一步研究减少Nb元素的用量且同时保持其高倍率性能的Nb2O5衍生化合物，对于铌基氧化物在未来电池产业中的应用至关重要。
目前，铌基氧化物的研究仍然存在一些关键的挑战：
挑战一：开发高性能衍生物与高温晶相
1、探索利用诸如TiNb2O7等衍生化合物降低成本，推动Nb2O5衍生化合物在产业的发展；
2、研究合成高温晶相H-，M-Nb2O5，进一步提升五氧化二铌电化学性能。
挑战二：提高电导率
1、如何有效果通过离子掺杂调节Nb2O5本征电导率；
2、如何利用形貌控制、复合材料和碳包覆等技术继续提高铌基氧化物电导率。
挑战三：拓展应用领域
1、将铌基氧化物应用于其他电池系统，如钠\钾\镁离子电池等；
2、使用电极修饰技术和新的五氧化二铌衍生物体系来提高其他电池系统的电化学性。
作者简介：
谢富强，广东工业大学21级硕士生，材料工程专业，研究方向为锂离子电池电极材料，研究课题为铌基负极材料的制备及其电化学性能的研究。
徐俊岭，广东工业大学特聘副教授，香港中文大学博士，主要研究方向为高性能二次电池材料的开发以及新型电池反应的探索，在Nano Energy, Green Chem., J. Mater. Chem. A等杂志发表SCI论文50余篇，担任Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Mater. Today Chem.等期刊审稿人。
孙志鹏，广东工业大学“百人计划”特聘教授，国家青年特聘专家，材料与能源学院副院长，广东省重大人才工程团队核心成员，江苏省“双创人才”（创新类）。主要从事有关新能源存储与转换器件和气体传感器等研究。已在国内外学术期刊上发表论文110 余篇，出版中文论著1部，授权发明专利 8 件。先后主持国家自然科学基金、国家质检总局科研基金、广东省科技厅国际合作基金等15项。
汪正平，美国佐治亚理工学院董事教授、美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士、香港科学院创院院士，中国台湾“中央研究院”院士。多年来致力于电子封装材料的研究，被誉为“现代半导体封装之父”。在Science、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Nano Energy、ACS Nano、Nano Letters、ECTC等国际期刊与学术会议上发表论文1000余篇，授权60余项美国专利，出版《高分子在电子和光子学应用》、《电子封装设计、材料、过程和可靠性》、《电子制造：无铅、无卤和导电胶材料》、《高级电子封装材料》、《纳米导电胶技术》等12本英文学术专著。
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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