V2 O5 改性锂硼酸盐玻璃的介电谱研究：Li+ 离子扩散与混合导电机制在储能应用中的突破

【编辑推荐】本研究通过介电谱技术系统探究(50–x)Li2 O–xV2 O5 –50B2 O3 玻璃体系的AC导电性（σdc ）、电模量（M''）及阻抗特性，揭示其非德拜弛豫行为与NSPT（非重叠小极化子隧穿）传导机制，证实Li+ 离子与电子/极化子协同传导特性，为开发高性能锂离子电池电极材料提供理论依据。

　　

在能源存储技术飞速发展的今天，锂离子电池作为便携式电子设备的核心动力源，其性能提升始终面临关键材料创新的挑战。传统电极材料往往难以兼顾高离子电导率与电子传导能力，而具有混合导电特性的玻璃材料正成为突破这一瓶颈的新兴研究方向。其中，锂硼酸盐玻璃因其优异的玻璃形成能力、热稳定性和可调控的离子导电性备受关注，但关于其微观传导机制与组分优化的系统性研究仍存在空白。

针对这一科学问题，古吉拉特大学的研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表最新成果，通过熔融淬冷法制备了(50–x)Li₂
O–xV₂
O₅
–50B₂
O₃
（x=0-20 mol%）玻璃体系（简称LVB），并采用宽频介电谱技术（10^–1
–10⁶
Hz）结合KWW（Kohlrausch-Williams-Watts）函数分析，首次揭示了该材料体系中Li⁺
离子扩散与电子/极化子传导的协同作用机制。

关键技术方法
研究采用熔融淬冷法合成LVB玻璃系列，通过Novocontrol阻抗分析仪在363–563 K温度范围内测试介电性能。运用Almond-West公式解析AC电导率谱获取ω_H
（交叉频率）、σ_dc
（直流电导率）及频率指数s；采用等效电路模型拟合阻抗数据，结合Arrhenius方程计算活化能；利用KWW函数分析电模量弛豫行为。

研究结果

1. Experimental section
   通过精确控制Li₂
   O/V₂
   O₅
   比例（0-20 mol%），获得具有不同网络结构的玻璃样品，XRD验证其非晶态特性。

2. Investigation of electrical conductivity
   AC电导率谱显示四段特征区域：低频平台区、过渡区、高频色散区及二次平台区。当x=12 mol%时，σ_dc
   达最大值2.38×10^–3
   S/cm，频率指数s（0.61-0.79）表明NSPT传导机制占主导。活化能分析显示V₂
   O₅
   含量超过12 mol%时，由于[VO₄
   ]单元聚集导致迁移路径阻塞。

3. Conclusion
   电模量谱的宽化峰证实非德拜弛豫行为，弛豫时间分布参数β（0.45-0.62）反映结构异质性。阻抗分析揭示LVB4-LVB6样品存在双传导路径：低频区Li⁺
   离子扩散（E_a
   =0.42-0.58 eV）与高频区电子/极化子跳跃（E_a
   =0.18-0.31 eV）。

结论与意义
该研究首次阐明V₂
O₅
改性锂硼酸盐玻璃中Li₂
O/V₂
O₅
比例对混合导电性能的调控规律：适量V₂
O₅
（12 mol%）通过形成[VO₄
]单元优化传导网络，而过量添加反而阻碍离子迁移。所提出的NSPT模型与KWW弛豫动力学为设计新型固态电解质提供理论框架，其双传导机制（σ_dc

10^–3
S/cm）使该材料在薄膜锂电池阴极应用中展现出独特优势。研究获得UGC-CSIR和DST-FIST项目支持，相关数据将推动高能量密度储能器件的开发。