Defect‐Concentration‐Mediated T‐Nb2O5 Anodes for Durable and Fast‐Charging Li‐Ion Batteries

材料科学 阳极 氧化铌 电化学 自然键轨道 化学计量学 氧气 正交晶系 分析化学(期刊) 结晶学 电极 晶体结构 物理化学 密度泛函理论 冶金 有机化学 化学 计算化学 色谱法
作者
Yongjian Zheng,Zhenguo Yao,Zulipiya Shadike,Meng Lei,Jianjun Liu,Chilin Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (12) 被引量:103
标识
DOI:10.1002/adfm.202107060
摘要

Abstract Metastable orthorhombic niobium pentoxide (T‐Nb 2 O 5 ) is a promising anode to fulfill the requirements for high‐rate Li‐ion batteries (LIBs). Stoichiometric T‐Nb 2 O 5 is plagued by low electric conductivity and particle pulverization after repeated charge/discharge processes. In this work, oxygen vacancies are implanted into T‐Nb 2 O 5 particles via acid immersion of Nb 2 O 5 · n H 2 O with the formation of Lewis acid sites. The multiple characterizations and simulations reveal the lengthening of NbO bonds, and the transformation from NbO 7 pentagonal bipyramids and NbO 6 tetragonal bipyramids in T‐Nb 2 O 5− x . The enrichment of oxygen vacancies endows T‐Nb 2 O 5− x with higher electric conductivity, better electrochemical kinetics, larger pseudocapacitive contribution. O‐doped graphitic C 3 N 4 is creatively proposed as a trace oxygen pump to repair excessive oxygen vacancies, and it also serves as a sacrifice template for Nb 2 O 5− x growth to construct a porous and monolithic electrode network. Defect‐modulated Nb 2 O 5− x displays extraordinary cycling stability (164 mAh g −1 at 5 C after 1100 cycles), high capacity retention (104 mAh g −1 ) at an ultrahigh rate (25 C), and large areal capacity (0.74 mAh cm −2 ) under high mass loading (4 mg cm −2 ). The practical prospect is proved by Nb 2 O 5− x /LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 full cells with high average platform (2.12 V) and high specific capacity (229 mAh g −1 ). The oxygen‐defect modulation strategy on oxide anodes provides an alternative solution to fast‐charging and durable LIBs.
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