将Nb?O?纳米颗粒嵌入多孔碳中，作为锂离子电池（包括半电池和全电池）的先进阳极材料

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Nb 2O 5 nanoparticles embedded in the porous carbon as an advanced anode for half and full lithium ion batteries

Nb?O?纳米颗粒嵌入多孔碳中通过水热反应和热处理制备，作为锂离子电池负极材料显著提升导电性和循环稳定性，展示高容量（>200 mAh g?1）和长寿命特性。

　　

王新哲|韩立涛|张佳佳|刘仁强|孔凡军

中国常熟苏州工业大学，215500

摘要

五氧化二铌（Nb₂O₅）具有多种氧化还原对、伪电容特性和适中的工作电压，因此被认为是一种有前景的阳极材料。然而，其较差的导电性会导致反应动力学缓慢和容量衰减严重，而较低的理论容量进一步限制了其商业应用。本文通过水热反应和后续热处理成功制备了嵌入多孔碳（Nb₂O₅/PC）中的Nb₂O₅纳米颗粒。得益于PC的高导电性和可塑性，Nb₂O₅/PC复合材料表现出优异的循环性能和快速的反应动力学。值得注意的是，PC基体可以提高伪电容贡献，加速Li⁺的扩散行为，并降低Nb₂O₅纳米颗粒的电荷传输电阻，从而形成稳定的反应界面。此外，Nb₂O₅/PC//LiFePO₄全电池的优异电化学性能为高性能阳极电极的后续研究奠定了良好基础。

引言

过渡金属氧化物因其高理论容量、可变价态、高可获取性和低成本等优点，被广泛用作锂离子电池（LIBs）的阳极材料[1,2]。特别是与转换氧化物和合金阳极材料相比，五氧化二铌（Nb₂O₅）的适中电压窗口可以避免枝晶形成带来的安全风险，而基于插层反应机制的低体积膨胀能够保持Nb₂O₅电极的良好循环耐久性[3,4]。Nb₂O₅的理论比容量为201 mAh g^?1，高于钛酸锂（175 mAh g^?1[5,6]。然而，其低理论比容量和较差的电导率（3 × 10^?6 S cm^?1）导致其充放电性能不佳和反应动力学缓慢，不利于商业化应用[[7], [8], [9], [10]]。

Nb₂O₅具有多种晶体结构，包括伪六方、正交、四方和单斜结构，这些结构对其电化学性能有显著影响[11,12]。其中，正交-Nb₂O₅由于结构稳定和伪电容行为而表现出优异的长期循环性能[[13], [14], [15], [16]]。许多研究致力于克服正交-Nb₂O₅的固有缺点，以提高其倍率和反应动力学。众所周知，将Nb₂O₅与碳基基体结合是提高其高容量和长循环寿命的有效策略。例如，Yang等人报道了N掺杂碳包覆的N₂O₅微球，由于N掺杂碳涂层可以减少体积膨胀并提高活性材料的导电性，因此表现出优异的高倍率性能和长期稳定性[17]。均匀锚定在还原石墨烯片上的Nb₂O₅纳米颗粒在0.1C倍率下经过50次循环后表现出192 mAh g^?1的可逆容量，以及得益于石墨烯的高导电性、良好的机械柔韧性和增强的结构完整性而具有高功率性能[18]。尽管将放电截止电压设定在1 V以上可以提高电池的安全性，但同时也限制了其高容量潜力。Zeng等人将Nb₂O₅/C纳米复合材料的放电电压设定为0.01 V，在50 mA g^?1的电流下实现了380 mAh g^?1

在本研究中，我们通过水热反应和后续煅烧成功合成了嵌入多孔碳（Nb₂O₅/PC）中的Nb₂O₅纳米颗粒，并将其作为LIBs的阳极进行了研究。Nb₂O₅/PC复合材料由于PC的多种效应和工作电压的扩展，表现出优异的Li⁺储存性能、高可逆容量和长循环稳定性。此外，电化学测试进一步证明PC可以加速Nb₂O₅纳米颗粒的反应过程，使其成为LIBs极具前景的阳极材料。

章节片段

多孔碳的合成

多孔碳采用简单的模板法制备。1克柠檬酸钠（≥98%，上海阿拉丁生物化学技术有限公司）在N₂气流下于700°C下煅烧2小时。黑色粉末用盐酸（1.0 M）多次洗涤以去除Na₂O模板。在90°C的真空烘箱中过夜干燥后得到多孔碳（PC）。

Nb₂O₅/PC复合材料的合成

如图S1所示，0.08克PC和1.08克草酸铌（≥998%，上海阿拉丁生物化学技术有限公司）

结果与讨论

图1(a)展示了Nb₂O₅纳米颗粒和Nb₂O₅/PC复合材料的XRD图谱，Nb₂O₅纳米颗粒的特征衍射峰归属于正交结构Nb₂O₅（JCPDS卡片编号30–0873）。PC的引入没有影响Nb₂O₅的原始结构，也未观察到其他杂质峰，证实了Nb₂O₅/PC复合材料的高纯度。随着温度的升高（图S2），Nb₂O₅/PC复合材料仍保持其原始结构，但

结论

在本研究中，成功制备了嵌入多孔碳中的Nb₂O₅纳米颗粒，并系统地研究了其作为半电池和全电池阳极的电化学性能。PC的加入可以防止Nb₂O₅纳米颗粒的持续生长，并为纳米颗粒提供大量的附着空间。由于PC具有高导电性和减轻Nb₂O₅体积变化的结构优势，Nb₂O₅/PC复合材料能够提供优异的Li⁺储存性能

CRediT作者贡献声明

王新哲：研究、数据分析。韩立涛：验证、方法论。张佳佳：监督、资金获取。刘仁强：概念构思。孔凡军：撰写-审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江苏省双创博士计划（编号：JSSCBS20210743）和苏州工业大学的科研经费（编号：KYZ2023006Q）的支持。