锂硫硼酸盐玻璃陶瓷：一种新型高稳定性锂离子电池电极材料的开发与性能研究

推荐：本研究针对锂离子电池电极材料能量密度低、循环稳定性差的问题，开发了xNiO-(0.20-x)MnO2 -0.80(Li2 S:B2 O3 )玻璃陶瓷(GC)体系。通过熔融淬火技术制备的0.16Ni-0.04Mn样品展现出70 mAh·g?1 的放电容量和100次循环的优异稳定性，XANES证实其Ni2+ /Mn2+/3+ 氧化态可调控，为低成本、高安全性储能器件提供了新思路。

　　

随着电动汽车和智能电网的快速发展，开发高能量密度、长循环寿命的锂离子电池成为研究热点。传统层状过渡金属氧化物正极虽具有较高容量，但存在镍表面氧化导致的循环衰减问题。与此同时，无序结构的锂硼酸盐玻璃因其低成本、易加工和锂离子快速传导特性，展现出作为固态电解质和电极材料的潜力。然而，二元硼酸盐玻璃易发生Li₂
B₄
O₇
结晶和相分离，且硫基电极材料存在多硫化物溶解等问题，制约其实际应用。

为突破这些限制，研究人员通过熔融淬火技术制备了xNiO-(0.20-x)MnO₂
-0.80(Li₂
S:B₂
O₃
)（x=0.10-0.16）玻璃陶瓷体系。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)表征微观结构，同步辐射X射线吸收谱(XANES)分析元素价态，电化学阻抗谱(EIS)测定锂扩散系数，并结合三维同步辐射X射线断层扫描(SR-XTM)观察电极形貌演变。

GC部分：XRD显示样品含75%以上LiSB₂
O₈
晶体相，SEM证实Ni含量增加会形成晶簇。EDS测得实际Ni/Mn比例最高达3.98:1，表明Ni比Mn更易进入玻璃网络。

GC阴极电池部分：XANES揭示Ni保持+2价，而Mn从+2价转变为+2/+3混合价态；硫以+6价稳定存在。0.16Ni-0.04Mn样品在0.01 A/g电流密度下展现70 mAh·g^?1
初始容量，100次循环后保持30 mAh·g^?1
，优于先前报道的Ni:LiBO₃
玻璃电极。EIS显示其循环后锂扩散系数为0.75×10^?11
cm²
/s，活化能0.477 eV，SR-XTM证实循环后电极厚度减小并形成Li_x
B₂
O₃
表面相。

该研究通过Ni/Mn协同掺杂优化了锂硫硼酸盐玻璃的电子传导和结构稳定性，其1.1V放电平台与多硫化物还原反应相关。尽管高镍含量会导致电荷转移电阻上升，但晶体相的增加为锂离子提供了快速扩散通道。这项工作为开发兼具高容量和低成本特性的新型玻璃陶瓷电极提供了重要参考，推动锂硫电池体系的实际应用。