股票 
板块 
用户 
资讯 ↑ 点击上方“石墨烯联盟”关注我们
电动汽车、智能电网和便携式电子设备的快速增长推动了对兼具高能量密度、长循环寿命和增强安全性的锂离子电池的迫切需求，使其发展成为储能领域的核心研究目标。作为电池的关键组成部分，负极材料决定了容量、倍率性能和循环稳定性等关键性能指标。传统石墨负极虽提供稳定的循环性能，但理论比容量低（372 mAh g?1）且存在锂枝晶生长风险，阻碍了高能量密度设计的进展。相比之下，钛基和铌基氧化物（如Li?Ti?O??和Nb?O?）作为更安全的替代方案涌现，其在较高的嵌锂电位（~1.0–1.5 V vs. Li?/Li）下工作，有效抑制锂枝晶生长并增强操作安全性。然而，其电子导电性差（~10?13 S cm?1）、理论容量有限（~175 mAh g?1）以及锂离子扩散缓慢严重降低了实际容量利用率和倍率性能。此外，充放电循环过程中的体积膨胀导致颗粒粉碎，进而损害循环寿命。钛铌氧化物（TiNb?O?）作为层状过渡金属氧化物，结合了钛基和铌基氧化物的优势，表现出相对较高的工作电位（1.0–3.0 V vs. Li?/Li）、可观的理论比容量（386 mAh g?1）以及良好的倍率性能和循环稳定性。然而，其固有的较差电子导电性严重限制了实际应用潜力。为克服这一瓶颈，研究聚焦于使用碳基材料的复合策略，核心方法是通过纳米结构工程构建导电网络以增强电子导电性。近期高性能多孔掺杂碳材料的进展为此提供了有力支持。除复合策略外，纳米结构设计（如纳米颗粒、微球和多孔结构）有助于缩短锂离子扩散路径并缓解循环过程中的体积膨胀。此外，异质界面工程通过原子尺度修饰进一步优化材料的本征性质，例如在TiNb?O?与碳界面处构建Ti–O–C化学键可调节锂离子吸附能并降低扩散势垒。与此同时，TNO晶格内的异原子掺杂是另一有力策略。尽管稀土掺杂和碳复合已分别针对TNO进行了探索，但大半径Pr3?掺杂（诱导晶格应变和氧空位）与精确设计的N/O/S三掺杂蜂窝碳网络的战略结合代表了一种独特且研究相对较少的方法。
在这项研究中，研究人员报道了一种通过协同策略整合Pr3?掺杂和封装于N/O/S三掺杂蜂窝状多孔碳框架中的高性能TNO基纳米复合材料。大离子半径（1.126 ?）的Pr3?被掺入TNO纳米球（100–200 nm）中，诱导氧空位和晶格膨胀以拓宽离子扩散通道并加速锂离子传输。同时，三掺杂蜂窝碳作为三维导电网络，高效缓冲循环过程中的体积变化，并构建稳健的Ti–O–C异质界面，共同降低锂离子扩散势垒。受益于这些协同效应，优化后的复合材料表现出卓越的电化学性能：半电池在20C下比容量达205.61 mAh g?1，2000次循环后保持174.79 mAh g?1（保持率>85%）；与LiFePO?正极组装的全电池在10C下2000次循环后保持115.39 mAh g?1。研究人员通过仿生矿化结合燃烧活化构建了N/O/S三掺杂蜂窝碳框架（CMFK），利用Pr3?的大离子半径同时产生氧空位、诱导晶格畸变并将活性材料细化至100–200 nm。溶剂热沉积形成的三维导电网络充当导电骨架、体积缓冲层和Ti-O-C异质界面。电化学阻抗谱和恒电流间歇滴定技术分析表明，Pr3?掺杂和导电蜂窝碳骨架的协同效应降低了带隙，增加了氧空位浓度，提高了比表面积，从而加速了锂离子扩散动力学。不同扫描速率下的循环伏安测试显示，优化的3Pr-CMFK具有最高的赝电容贡献，有助于其优异的倍率性能和循环稳定性。
该研究通过整合蜂窝状多孔碳与TNO纳米球制备了一种复合锂离子电池负极。优化的3Pr-CMFK负极在0.5C下提供381.38 mAh g?1的高可逆容量，在20C下2000次循环后保持174.79 mAh g?1。电化学阻抗谱和恒电流间歇滴定分析显示，大半径Pr3?掺杂和导电蜂窝碳骨架的协同效应降低了带隙，增加了氧空位浓度，提高了比表面积，从而加速了锂离子扩散动力学。不同扫描速率下的循环伏安测试揭示，优化的3Pr-CMFK具有最高的赝电容贡献，赋予其优异的倍率性能和循环稳定性。非原位表征表明，储锂主要通过晶体平面间的可逆锂离子嵌入实现，而X射线光电子能谱证实了Ti-O-C/Ti-C异质界面的形成和氧空位的增强。这些异质界面效应共同提升了其电化学性能。与LiFePO?正极配对的全电池在0.5C下达到235 mAh g?1，在10C下2000次循环后保持115.39 mAh g?1，展示了实际可行性。尽管引入多孔碳因增加空隙体积不可避免地降低了振实密度，但这一权衡是增强离子/电子双通道和循环过程中结构稳定性的多孔框架所固有的。未来改进可能包括（i）在保持三维连通性的同时最小化碳含量，（ii）分级孔工程，以及（iii）压延后处理以在不坍塌孔隙的情况下提升体积能量密度。总体而言，该工作及其新机理见解证明，Pr3?掺杂和导电多孔碳骨架可显著改善TNO基复合材料作为高性能锂离子电池负极的性能，增加了其实际应用潜力。系统研究建立了从原子尺度掺杂效应（晶格膨胀、氧空位）到介观离子动力学再到宏观电池性能的连贯叙述，为先进电极材料的理性设计提供了宝贵见解。
信息来源：材料研究进展
重点关注
??联盟理事单位招募 | 联合前行，共赢未来~
??图书分享（一）| 感受他们这一路的坚持、热爱、无畏、孤独……
??图书分享（二）| 让你看到坚持的意义，感受不念过往不惧将来的豪迈~
??图书分享（三）| 告诉你，创业，是一种生活方式，是一次浪漫的旅程~
??图书分享（四）| 请你，为他，为他们，将双手舞动，愿我们的梦永不落空~
??【精准匹配·按需赋能】CGIA企业需求服务中心助力需求与资源高效链接
??【需求对接】需采购铜包石墨烯漆包线
??【需求对接】需采购高导电型导体材料、电磁屏蔽用的柔性材料、高导热型导体/屏蔽材料
??【需求对接】需采购胶辊用石墨烯改性橡塑材料
??关于征集石墨烯及新材料在汽车、医药、农业等应用领域的产业化项目的通知
我们的视频号
“石墨烯联盟”视频号里面，有备受瞩目的“烯”世奇材，有惊喜连连的大咖开讲，有生动有趣的科普视频，甚至还有不定期的“福利”乱入...欢迎大家扫码关注我们的视频号，将满满的干货收入囊中~
我们的视频号
评论 (0)