2023年12月12日，深圳大學(xué)高等研究院蔡興科研究員課題組在著名期刊《Small》上發(fā)表了一篇題為“Ternary Lithium Nickel Boride with 1D Rapid-Ion-Diffusion Channels as an Anode for Use in Lithium-Ion Batteries”的研究論文。該成果第一作者是深圳大學(xué)高等研究院2021級碩士研究生劉威，蔡興科研究員是該論文唯一通訊作者，深圳大學(xué)高等研究院為第一完成單位。
圖1.孔道狀Li1.2Ni2.5B2和層狀LiNiB的結(jié)構(gòu)示意圖
目前，鋰離子電池商用負(fù)極材料包括金屬鋰，硅，石墨和尖晶石鈦酸鋰，其中，金屬鋰和硅具有極高的理論容量，但由于鋰枝晶的生長和體積膨脹而穩(wěn)定性較差。雖然廣泛使用的石墨具有相對較高的理論容量和循環(huán)穩(wěn)定性，但其高擴(kuò)散能壘以及過低的充電電位在實際應(yīng)用中容易引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。此外，石墨在高倍率下儲鋰能力較差。鈦酸鋰在高電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，且鋰離子在長期脫嵌過程中所導(dǎo)致的體積變化微乎其微。然而，鈦酸鋰相對較高的工作電位和較低的理論容量限制了其商業(yè)應(yīng)用場景。
最近，由于過渡金屬硼化物具有良好的電導(dǎo)率和合適的工作電位，它在鋰離子電池負(fù)極材料中引起了廣泛的研究關(guān)注。硼是一種半金屬，其金屬化合物的工作電位在0.6-1.0 V范圍內(nèi)，這有可能避免鋰枝晶的生長，同時又不損失太多能量密度。
一維隧道型材料具有高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且通道內(nèi)的離子擴(kuò)散速度快。然而，氟化物和氧化物的氧化還原電位高，這會導(dǎo)致實際應(yīng)用中電池的能量密度較低。如果能夠成功制備出具有隧道型結(jié)構(gòu)的過渡金屬硼化物，并將其應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極材料，預(yù)計可以表現(xiàn)出合適的工作電位和優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性。
本研究報告了一種三元過渡金屬硼化物L(fēng)i1.2Ni2.5B2，它具有高的鋰離子（Li+）儲存容量、顯著的電化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)秀的倍率性能。與傳統(tǒng)的過渡金屬硼化物相比，鋰原子的引入有助于在合成過程中形成一維（1D）Ni/B基蜂窩狀通道。這種Ni/B框架在Li+脫嵌過程中可有效承受應(yīng)變，因此優(yōu)化后的Li1.2Ni2.5B2負(fù)極在1 A g-1電流密度下，500次充放電循環(huán)測試中表現(xiàn)出優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性。該電極還在0.1、1和5 A g-1下分別具有350、183和80 mA h g-1的出色可逆容量，顯示出1D Ni/B框架作為商業(yè)可用的快速充電鋰離子電池負(fù)極具備相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。
此項研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳市科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新委員會的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202309918
