高熵掺杂效应实现快速充电Nb2O5锂离子电池负极材料的突破性设计

为解决传统掺杂方法在Nb2O5负极材料中易引发相变的问题，研究人员创新性提出高熵掺杂（HED）策略，通过引入10-15种金属元素（如Mg、Ca、Fe等）在1-3 mol%浓度范围内实现稳定掺杂。该研究成功制备出高熵掺杂Nb2O5（HED-Nb2O5），在40 A g-1超高电流密度下容量达80 mAh g-1，较未掺杂材料提升3倍以上，为快充电池材料设计提供了新范式。

　　

在锂离子电池领域，Nb₂O₅因其独特的Wadsley-Roth晶体结构和快速锂离子传输通道被视为极具潜力的快充负极材料。然而传统掺杂技术面临严峻挑战：当引入镍、锌等金属元素时，Nb₂O₅晶格会发生不可控的相变，形成二维平面结构或剪切相，严重制约其电化学性能。这一困境源于Landau相变理论揭示的对称性破缺现象——掺杂元素的化学性质差异会扰动原有晶格秩序。如何在不诱发相变的前提下实现有效掺杂，成为材料科学领域的重大难题。

广东工业大学等机构的研究团队独辟蹊径，受Philip Anderson"More is Different"复杂系统理论的启发，创新性提出高熵掺杂（High-entropy-doping, HED）策略。通过系统筛选20种金属元素（包括Mg、Ca、Fe、Co等），研究人员发现当掺杂元素种类达10-15种且总浓度控制在1-3 mol%时，Nb₂O₅可在空气氛围中950°C下稳定形成类M相结构（HED-Nb₂O₅），突破传统掺杂必致相变的桎梏。该成果发表于《Nature Communications》，为复杂氧化物掺杂提供了全新方法论。

研究团队采用多尺度表征技术体系：通过X射线衍射（XRD）追踪相变路径，结合Rietveld精修解析晶体结构；利用拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）揭示Nb=O键强化机制；借助电子顺磁共振（EPR）检测到5种氧空位类型，证实高熵掺杂显著提升晶格复杂性；采用扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）验证元素均匀分布。电化学测试采用Neware多通道系统，通过恒电流间歇滴定技术（GITT）计算锂离子扩散系数，并结合原位XRD观测充放电过程中的相演变。

Observation of high-entropy-doping effect in Nb₂O₅
研究发现传统Nb₂O₅在空气氛围中经历TT→T→H相变，而在氮气中形成亚稳M相。引人注目的是，15种元素共掺杂的样品在空气中直接形成类M相结构，且能抵抗1000°C高温退化。通过50组对照实验绘制出"高熵掺杂区域"相图，证实该效应具有普适性。

Characteristic of high-entropy-doping effect
系统调控表明：当掺杂元素达15种、浓度3 mol%时杂质相完全消失（N15C3），而超过此阈值（如N20C3）则性能劣化。元素替换实验证实高熵掺杂的效果取决于元素数量而非具体种类，展现出独特的"涌现性"。

Spectroscopic properties and microscopic morphology
Raman光谱显示HED-Nb₂O₅兼具M相和H相特征，XPS证实其化学态更接近H相。TEM观测到清晰的(155)和(1111)晶面，且颗粒尺寸（1-2 μm）小于传统H相（3-6 μm），为快充性能奠定结构基础。

The battery performances and electrochemical behavior
电化学测试显示HED-Nb₂O₅在40 A g^-1（200C）下的容量达88.9 mAh g^-1，远超未掺杂材料（25 mAh g^-1）。GITT测算其电压平台区锂扩散系数（4.2×10^-10 m² s^-1）优于M相（7.1×10^-10 m² s^-1），2000次循环后容量保持率85%。与LiNi_0.5Mn_1.5O₄组装的全电池在2.9 A g^-1下实现896 kW kg^-1超高功率密度。

这项研究开创性地提出高熵掺杂效应，突破传统掺杂理论框架。通过构建多元素协同扰动体系，成功抑制Nb₂O₅相变并稳定亚稳相，其核心在于利用熵增原理平衡晶格畸变。该工作不仅为快充电池材料设计提供新思路，更启示"数量优于选择"的高通量材料开发范式，对半导体、发光材料等领域具有普适性指导意义。研究团队特别指出，未来需通过同步辐射原位技术深入解析高倍率下的相演变机制，并探索该策略在钠离子电池等体系的适用性。