導(dǎo)讀：本文提出一種新型無(wú)序巖鹽Li3V2O5作為一個(gè)快速充電負(fù)極，無(wú)序巖鹽Li3V2O5組裝為全電池經(jīng)過(guò)1000多次充放電循環(huán)，容量衰減可忽略不計(jì)，并且具有出色的速率容量，可在20秒內(nèi)提供40％的容量。其低電位，高速率的嵌入反應(yīng)可用于其他金屬氧化物負(fù)極，用于快速充電、長(zhǎng)壽命的鋰離子電池。
鋰離子電池具有高能量密度和可再充電的特性，同時(shí)由于其安全地充放電以及高速率性能而廣泛地應(yīng)用于電動(dòng)交通工具等其他應(yīng)用設(shè)備。然而，電流負(fù)極的嵌入電勢(shì)導(dǎo)致能量密度、功率和安全性之間的權(quán)衡。富鋰無(wú)序巖鹽（DRS）氧化物是公知的是有前途的負(fù)極材料之一，本身的八面體-四面體-八面體途徑的滲透網(wǎng)絡(luò)能夠快速鋰擴(kuò)散。盡管DRS形成如Li3MoO4和Li5W2O7已知的氧化物，但目前還沒(méi)有研究進(jìn)一步將鋰插入DRS氧化物中以形成負(fù)極材料。
近期，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校Ping Liu教授與Shyue Ping Ong教授，加州大學(xué)歐文分校Huolin Xin教授和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jun Lu研究員為共同通訊作者，提出了一種新型無(wú)序巖鹽氧化物L(fēng)i3+xV2O5負(fù)極材料，在0.6 V電壓下電極能夠可逆地循環(huán)兩個(gè)鋰離子。與石墨相比，具有更大的潛力，降低了鋰金屬電鍍的可能性，從而減輕了與鋰枝晶生長(zhǎng)有關(guān)的短路安全隱患。此外，相比于商用的鈦酸鋰，無(wú)序巖鹽Li3+xV2O5負(fù)極具有更低的電壓，更高的比容量，更高的能量密度。相關(guān)論文以題為“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”發(fā)表在Nature上。https://www./articles/s41586-020-2637-6
圖1. 原始和鋰化DRS-Li3+xV2O5的電壓分布和結(jié)構(gòu)特征。a）在0.1 A g-1的電流密度下，石墨，Li4Ti5O12和DRS-Li3+xV2O5的實(shí)驗(yàn)電壓曲線(xiàn)，電壓窗口分別為0.01-2 V，1-2 V和0.01-2V，b）DRS-Li3V2O5的晶體結(jié)構(gòu)。紅色的球代表O，藍(lán)色的四面體代表四面體位置中的Li，綠色的八面體代表Li/V共享的八面體位置，c）DRS-Li4Ti5O12和鋰化的DRS-Li3+xV2O5的中子衍射圖。DRS-Li3+xV2O5的ABF-STEM圖像和快速傅立葉變換，d）原始DRS-Li3V2O5的ABF-STEM圖像，e）d中圖像相應(yīng)快速傅里葉變換，顯示了沿[001]區(qū)域軸的面心立方結(jié)構(gòu)，f）DRS-Li3V2O5放大的ABF-STEM圖像，g）鋰化DRS-Li3+xV2O5的ABF-STEM圖像，h）g中圖像相應(yīng)快速傅里葉變換，i）鋰化DRS-Li3+xV2O5放大的ABF-STEM圖像。
圖2. DFT計(jì)算得出DRS-Li3+xV2O5的Li位置占有率和電壓曲線(xiàn)。a）0-TM（T1）和1-TM（T2）四面體Li插入位點(diǎn)，b）當(dāng)Li插入0-TM（T1）位點(diǎn)時(shí)，四個(gè)相鄰的LiO6八面體的偏心位移，c）根據(jù)DFT計(jì)算，在插入Li后，四面體和八面體中Li位置占有率的演變，從三個(gè)最低能量配置中計(jì)算出所有區(qū)域中四面體和八面體Li的位點(diǎn)占用率， d）根據(jù)PBE+U函數(shù)計(jì)算得出的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算電壓曲線(xiàn)。
圖3. DRS-Li3V2O5的電化學(xué)性能。a）電壓窗口在0.01-2.0 V范圍內(nèi)的不同電流密度下的循充放電循環(huán)穩(wěn)定性，b）不同電流密度下的充放電曲線(xiàn)，c）DRS-Li3V2O5在1 A g-1電流密度下的長(zhǎng)循環(huán)性能，d）DRS-Li3V2O5 || LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2全電池在0.5 A g-1電流密度下的循環(huán)性能，e）在1.5–3.9 V的電壓窗口范圍下，在1,000個(gè)循環(huán)內(nèi)的電壓曲線(xiàn)。對(duì)活性物質(zhì)負(fù)載量為2–3 mg cm-2的DRS-Li3V2O5電極在0.1 A g-1至20 A g-1的電流密度下進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)應(yīng)2.66 h至20 s的充放電時(shí)間。
圖4.在Li3V2O5放電開(kāi)始時(shí)的Li遷移勢(shì)壘（x≈0）和放電結(jié)束時(shí)的空位遷移勢(shì)壘（x≈2）。計(jì)算出Li3V2O5和Li5V2O5中可能存在Li遷移躍遷的NEB勢(shì)壘。跳按其機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)于x ≈0，t-o-t是指一個(gè)合作機(jī)制，由此在四面體位置跳到相鄰的Li離子占據(jù)的八面體位置和Li離子占據(jù)該八面體位置跳躍到一個(gè)鄰近的空四面體。t-t指兩個(gè)最近鄰的四面體之間的直接跳。對(duì)于x≈2，t-o-t是一種非合作機(jī)制，四面體位置的Li離子穿過(guò)空的八面體跳到另一個(gè)四面體位置。對(duì)于所有機(jī)制，都顯示了NEB遷移壁壘的分布，該分布是根據(jù)不同Li/V布置中類(lèi)似機(jī)制的24個(gè)NEB計(jì)算得出的。
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