在鋰離子電池中，納米電極材料具有短程離子擴(kuò)散距離和快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)勢(shì)，但是過(guò)高的比表面積使其在電極制備和循環(huán)過(guò)程中易發(fā)生顆粒團(tuán)聚并與有機(jī)電解液發(fā)生嚴(yán)重副反應(yīng);而微米級(jí)電極材料雖然可以有效降低與電解液的接觸面積，提高壓實(shí)密度，但是其離子擴(kuò)散能力通常不足以滿(mǎn)足離子短時(shí)間的快速嵌入和脫出。因此，設(shè)計(jì)一種同時(shí)具有快速離子通道和低比表面積的微米級(jí)致密納米晶材料可有效解決上述問(wèn)題。

調(diào)控低溫相轉(zhuǎn)變過(guò)程獲得類(lèi)玻璃-陶瓷相結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)自下而上合成納米-微米材料的方法(如噴霧造粒、共沉淀自組裝等)不同，該研究采用了一種自上而下的微米-納米材料合成策略——首先合成微米級(jí)釩酸鹽前驅(qū)體，再通過(guò)低溫相轉(zhuǎn)變過(guò)程引入類(lèi)玻璃-陶瓷相中間態(tài)，同時(shí)晶粒發(fā)生細(xì)化，從而得到微米級(jí)致密納米晶電極材料(如圖1所示)。這種具有類(lèi)玻璃-陶瓷相的釩酸鹽電極材料不僅具有豐富的晶界/相界面，以保證鋰離子的快速傳輸，同時(shí)具有較小的比表面積，以減少與電解液之間的表面副反應(yīng)?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，該釩酸鹽正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的大倍率、高容量和長(zhǎng)循環(huán)的電化學(xué)性能。這一合成策略對(duì)其他前驅(qū)體為水合物的過(guò)渡金屬氧化物電極材料同樣具有普適性，也為儲(chǔ)能材料中的微米-納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

該論文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院唐子龍教授、美國(guó)麻省理工學(xué)院王詩(shī)童博士和董巖皓博士，第一作者是清華大學(xué)材料學(xué)院2016級(jí)博士生李禹彤。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。