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微米级铌钨氧化物材料中锂离子的高速存储及迁移
发布时间:2018-08-22 07:48:36发布者:Admin新闻种类:前沿动态

锂离子电池的最大输出功率以及最短充电时间通常取决于离子和电子的传输速率,而锂离子在正极或负极材料颗粒中的离子扩散行为是电池充放电速率的主要限制因素。目前,通常是将正极或负极颗粒制成多孔的纳米材料从而优化固态离子的扩散速率,但此举会导致 材料的体积能量密度等参数的严重劣化。

经证实,通过制备微米级的铌钨氧化物材料(Nb16W5O55以及Nb18W16O93)以替代纳米材料同样可以显著优化电池性能,如图1所示,微米级的铌钨氧化物材料无论在高速或低速放电条件下均表现出相对其他材料更高的体积能量密度,也因此证明了材料的尺寸以及多孔 性均非高速充放电电池电极的必要条件。

图1

如图2所示,Nb16W5O55(Nb,W)O6八面体堆垛而成,Nb18W16O93则由(Nb,W)O4四面体连接形成类钨青铜结构。

图2

Nb18W16O93结构为例(如图3),该材料具有与四面体钨青铜结构极为相似的结构,四面体钨青铜通过碱金属离子K+填充至四面体间的通道位置实现结构的稳定化,而在Nb18W16O93中,并不存在碱金属阳离子,其结构稳定化是由—M—O—键部分占据四面体间的通道 实现的,因此,具有足够的开放空间供锂离子进行插层与迁移

图3

同时,由于该材料结构存在剪切平面、不规则的多面体结构以及由—M—O—造成的稳定化,限制了其在锂离子传导过程中的结构重排(如旋转、倾斜等,结构重排会限制锂离子的迁移,进而降低其迁移率),因此,该材料在具有较高存储密度的同时,兼具较高的锂离 子迁移速率,其锂离子扩散系数为钛酸锂的数个数量级。

综上,铌钨氧化物材料的出现突破了通过电极材料纳米化以优化电池中离子迁移速率及电学性能的传统方法的桎梏,不仅为电池材料的制备,同时也为其他涉及离子迁移和离子存储的材料领域开拓了思路,具有很强的借鉴意义。

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