T-Nb2O5-x表面氧空位缺陷的构筑、调控及其电化学储锂行为

The application of power lithium-ion batteries in the electric vehicles requires high-power, high-safety anode materials. Nb-based oxides have high specific capacity and rate performance due to the double electron transfer process in electrochemical reactions, and are expected to replace lithium titanate as the next generation anode material with high power density. However, the Nb-based oxides still encounter some problems such as poor conductivity and unclear ion transport mechanism. This project put forwards a simple high-temperature reduction method to "capture" oxygen atoms from the surface of T-Nb2O5, constructing an oxygen vacancy defect layer to regulate its electronic structure, crystal structure and surface chemistry. The influence of oxygen vacancy defects on the ion diffusion behavior, pseudocapacitance effect and long cycle stability is investigated emphatically. Combined with the first-principles computational chemistry theory, the relationship model of "surface oxygen vacancy defects - pseudocapacitive effect - electrochemical behavior – long-term cycle stability" is established. Above conclusions will provide theoretical guidance for the development of T-Nb2O5 anode materials, improving and enriching the fundamental electrochemical theory of niobium-based oxides.

动力锂离子电池在电动汽车领域的应用需要高功率、高安全性的负极材料，铌基氧化物由于电化学反应中的双电子转移过程，具有较高的比容量和倍率性能，有望取代钛酸锂成为下一代功率型负极材料。然而，铌基氧化物仍存在导电性差、离子传输机制不明晰等问题。本项目通过简单的高温还原法，从T-Nb2O5表面“夺取”氧原子，构筑氧空位缺陷层，并调控其电子结构、晶体结构和表面化学特性。重点考察氧空位缺陷对电极材料表层的离子扩散行为、赝电容效应和长循环稳定性的影响，结合第一性原理的计算化学理论，建立“表面氧空位缺陷-赝电容效应-电化学行为-性能衰减机制”的关系模型。上述结论将为T-Nb2O5负极材料的发展提供理论指导，完善与丰富铌基氧化物的缺陷电化学理论。

动力锂离子电池在电动汽车领域的应用需要高功率、高安全性的负极材料，铌基氧化物由于电化学反应中的双电子转移过程，具有较高的比容量和倍率性能，有望取代钛酸锂成为下一代功率型负极材料。本项目通过简单的高温还原法，从T-Nb2O5表面“夺取”氧原子，构筑氧空位缺陷层，并调控其电子结构、晶体结构和表面化学特性。 研究了氮化对T-Nb2O5纳米线的形貌结构、本征导电性和电化学储锂性能的影响，同时解析了赝电容效应和快速嵌脱锂特性间的关系；合成了由二维纳米片组装而成的三维氧缺陷Nb2O5 微米花，调控氧空位数目，揭示其在混合电容器中的储能机制，阐明其倍率性能提升的本征原因。重点考察氧空位缺陷对电极材料表层的离子扩散行为、赝电容效应和长循环稳定性的影响，建立了“表面氧空位缺陷-赝电容效应-电化学行为-性能衰减机制”的关系模型。改性后Nb2O5-x材料在1 C电流密度下充电比容量为203.4 mAh/g，循环200圈之后仍可达到191.2 mAh/g，容量保持率为94.0%。在10 C的大电流密度下，Nb2O5-x材料循环1000圈之后的充电比容量仍可以达到119.3 mAh/g，容量保持率为75.0%，证实了氧空位的存在有效提高了材料的导电性和充放电性能。项目共发表 SCI 论文 12余篇，申请发明专利 5 项，授权1项。协助培养博士生3名， 培养硕士生4名。上述研究内容为T-Nb2O5负极材料的发展提供了理论指导，丰富了铌基氧化物的缺陷电化学理论；同时，为未来T-Nb2O5负极材料在航空航天、深海等特种领域打下了夯实的基础，有望在5-10年规模化应用。