高容量铌基氧化物负极储锂活性位点的构建及机理研究.pdf

摘要

锂离子电池(LIBs)是重要的能源存储设备。然而，常用的石墨负极有较差的倍

率性能、较低的锂化电位，在充放电过程中易产生锂枝晶，导致短路以及潜在的

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热失控风险，限制了锂离子电池的安全应用。如何设计、制备Li存储容量高、安

全的负极材料，成为发展新一代锂离子电池的重要问题之一。插入式锂存储的

NbO具有优异的电化学性能、适宜的工作电压和不明显的体积膨胀，是理想的高

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安全性锂离子电池负极材料。但由于其导电性差、锂离子扩散动力学缓慢以及电

子转移数少等阻碍了NbO负极获得高可逆容量。针对以上问题，本文采取“非金

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属元素掺杂诱导非晶域储锂活性中心和双金属复合调控多电子储锂活性位点”的

策略设计合成了系列高性能铌基氧化物复合材料，系统研究了它们的储锂机制。

具体内容如下：

1.通过简单的一步低温磷化技术，制备了富含缺陷的P掺杂NbO(P-NbO)，

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研究了P掺杂对NbO的结构及储锂性能的影响。研究结果表明，P掺杂在一定程

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度上破坏了NbO晶格的有序性，诱导出非晶区域，构筑储锂活性位点，从而有利

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于锂的插入和储存，提高了离子扩散系数，进而提高了循环稳定性及倍率性能。

在0.1Ag-1的电流密度下，P-NbO循环400圈可逆容量为386.8mAhg-1；1.0Ag-1

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电流密度下，P-NbO首圈放电比容量为417.7mAhg-1，可逆容量为182mAhg-1，

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在循环500周后，P-NbO可逆容量上升至264.6mAhg-1。

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2.利用静电纺丝技术结合空气中热处理将高活性的Fe元素与铌氧化物复合，

制备了具有三维网络结构的中空FeNbO纳米纤维(FeNbONTs)。纳米纤维由尺寸

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约40nmFeNbO4颗粒组成。稳定的三维网络中空纳米结构，缩短了锂离子扩散距

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离；Fe/Fe氧化还原反应提供了更多的储锂活性位点。当作为LIBs负极材料时，

FeNbONTs电极的首圈放电和充电过程中的容量分别为1029.1mAhg-1和779.1

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mAhg-1，初始库仑效率(ICE)为75.77%，经过270圈循环后，FeNbONTs电极的

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可逆容量为763.2mAhg-1，CE为98.68%；在2.0Ag-1下循环500圈后，保持500.2

mAhg-1的可逆比容量，储锂性能显著优于NbO纳米纤维负极(255.7mAhg-1)，表

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现出良好的循环稳定性和更高的可逆比容量。

3.通过静电纺丝技术及惰性气氛中热处理将Mn元素与铌氧化物复合，制备了

MnNbO纳米纤维(MnNbONFs)及分散在聚丙烯腈(PAN)衍生碳纤维中(CNFs)的

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MnNbO-C纳米纤维(MnNbO-CNFs)。在衍生碳纤维的辅助下，MnNbO颗粒的

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