清華新聞網(wǎng)12月23日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)麻省理工學(xué)院、北京航空航天大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)研究創(chuàng)新性地將納米多孔框架結(jié)構(gòu)和致密氧化物兩大類(lèi)重要的功能材料建立起連接，提出了塊體晶格中類(lèi)表面擴(kuò)散機(jī)理，提供了一種獨(dú)特的物理化學(xué)視角來(lái)開(kāi)發(fā)高功率鋰離子電池材料。
圖1.前沸石框架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有納米多孔框架結(jié)構(gòu)的比較示意圖
高功率鋰離子電池在大型運(yùn)輸、工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)調(diào)節(jié)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，其關(guān)鍵部件是電池電極材料。理想的電極材料是一種激活能小于0.25電子伏特的超快離子和電子混合導(dǎo)體，這使得約10微米的致密單晶顆粒的商業(yè)化成為可能（這樣的大單晶顆?？商岣唠姵氐捏w積能量密度并抑制電池的副反應(yīng)）。在所有滿(mǎn)足小于0.25電子伏特?cái)U(kuò)散勢(shì)壘的材料中，具有離子晶格內(nèi)擴(kuò)散的材料很少見(jiàn)，但具有離子表面擴(kuò)散的材料較常見(jiàn)。離子表面擴(kuò)散的材料通常具有孔徑大于2埃的框架結(jié)構(gòu)，這種框架結(jié)構(gòu)的材料包括沸石（孔徑為3-10埃）、普魯士藍(lán)和金屬有機(jī)框架等納米多孔材料，這些材料可以吸收大量的水（直徑2.8埃），氫氣和二氧化碳等小分子。雖然這些納米多孔框架結(jié)構(gòu)具有極高的離子擴(kuò)散率，但由于其孔徑過(guò)大，無(wú)法存儲(chǔ)過(guò)多的堿金屬原子，因此無(wú)法作為高致密度的電極材料。
圖2.具有前沸石框架結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)、形貌與電池動(dòng)力學(xué)特征
該研究中，作者首先定義了“前沸石框架結(jié)構(gòu)”，即孔道直徑小于水分子的致密晶體材料。因?yàn)檫@類(lèi)結(jié)構(gòu)排除了水分子和一般小分子的嵌入或吸收，同時(shí)允許鋰離子在晶格內(nèi)像表面擴(kuò)散一樣的快速遷移，有望使得這類(lèi)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿(mǎn)足高致密度及高功率的電化學(xué)性能。與鋰離子嵌入型化合物不同，這類(lèi)預(yù)沸石框架結(jié)構(gòu)中由于較低的原子拓?fù)浼s束和較大的宿主自由體積會(huì)導(dǎo)致異常的熱膨脹（低/負(fù)的熱膨脹系數(shù)）和軟聲子特性，這也導(dǎo)致了塊體晶格中類(lèi)表面擴(kuò)散機(jī)理的出現(xiàn)。接下來(lái)作者給出了這種預(yù)沸石框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法：其材料的孔道直徑在2.5-2.8埃，陰離子與陽(yáng)離子比約為2.5，可以但不限于包含鈮、鎢、鈦等元素的氧化物。最后作者將上述設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于鈮-鎢-鈦三元氧化物相圖，并成功合成了一系列微米級(jí)高致密度及高功率的電極單晶材料。其中包括兩種新物相材料：Nb9W2Ti6O40.5和Nb9W4Ti4O42.5，它們以高電極密度、高容量、高功率和長(zhǎng)循環(huán)壽命的優(yōu)異性能，勝于絕大部分現(xiàn)有的高功率電極材料。此外，作者還成功合成了大于20微米的超大單晶，仍可保持高于30C的大功率充放電，使得這類(lèi)材料在保證高體積能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，具有和燃油車(chē)相似的充電體驗(yàn)和極速放電的特性。
圖3.具有前沸石框架結(jié)構(gòu)材料的電池循環(huán)穩(wěn)定性與能量密度特性
近日，相關(guān)成果以“一種用于高功率鋰離子電池電極材料的前沸石框架結(jié)構(gòu)“（Pre-zeolite framework super-MIEC anodes for high-rate lithium-ion batteries）為題，發(fā)表在能源領(lǐng)域知名期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。
該論文的共同通訊作者為美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授，清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授、董巖皓助理教授以及北京航空航天大學(xué)張俊英教授，第一作者為美國(guó)麻省理工學(xué)院王詩(shī)童博士和北京航空航天大學(xué)趙黎江博士。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee02918a
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
