鋰離子電池作為高效能源存儲設(shè)備,，在便攜式電子設(shè)備和電動汽車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,。然而,，隨著技術(shù)進(jìn)步和市場需求的不斷提高，傳統(tǒng)鋰離子電池的性能瓶頸逐漸顯現(xiàn),，特別是在電池的安全性和能量密度方面,，開發(fā)新型鋰離子電池負(fù)極材料成為提升電池性能的關(guān)鍵途徑之一。在眾多新型負(fù)極材料中,，V₂O₅（五氧化二釩）因其具有較高的理論容量,、低成本和資源豐富而備受關(guān)注。但也面臨鋰離子擴(kuò)散速率低和容量衰減較快等問題,。為解決上述問題,，材料學(xué)部先進(jìn)玻璃材料團(tuán)隊(duì)提出了無序/有序調(diào)節(jié)工程概念，利用玻璃做前驅(qū)基體材料來提高負(fù)極的電化學(xué)性能和力學(xué)穩(wěn)定性,。

玻璃態(tài)材料,，相比晶體材料，具有長程無序結(jié)構(gòu)和較大自由體積,，在鋰化/脫鋰化過程中能承受體積的變化,，促進(jìn)Li⁺離子的傳輸，并能夠在鋰離子嵌入和脫出時(shí)提供更多的活性位點(diǎn)和提供更多的傳輸通道,。此外,，玻璃原料及制造成本低，對環(huán)境影響小,，且易于回收再利用,，具有重要的研究意義及應(yīng)用前景。然而,，玻璃負(fù)極在實(shí)用化時(shí)還面臨較多挑戰(zhàn),，特別是它在全電池的性能還不理想，亟需對玻璃材料的組成和結(jié)構(gòu),，以及玻璃的制備條件進(jìn)行優(yōu)化,。

近日，材料學(xué)部先進(jìn)玻璃材料團(tuán)隊(duì)將玻璃負(fù)極應(yīng)用在鋰離子全電池中取得實(shí)用化突破,。團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)熔融冷卻法制備了一種新型鋰離子電池負(fù)極材料—50V₂O₅-(50-x)P₂O₅-xB₂O₃玻璃（簡稱VPB）,，一系列電化學(xué)測試表明50V₂O₅-20P₂O₅-30B₂O₃（VPB30）玻璃負(fù)極具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。首次利用氧化物玻璃作負(fù)極,，鈷酸鋰作正極通過液態(tài)電解質(zhì)組裝了全電池,，該全電池表現(xiàn)出令人鼓舞的整體性能，其在0.1 A g^–1電流密度下的放電容量可達(dá)150.0 mA h g^–1,，循環(huán)性能穩(wěn)定,。在150 W kg^-1 的功率密度下實(shí)現(xiàn)了222.5 Wh kg^-1的能量密度，并且在5050 W kg^-1的高功率密度下提供了86 Wh kg^-1的能量密度,，證明了玻璃材料在鋰離子電池實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力,。本工作不僅為高性能鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了新思路，也為第一次向玻璃負(fù)極在鋰離子全電池中的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化邁進(jìn)了重要的第一步,。

圖1. VPB30//LCO全電池的電化學(xué)性能

圖2. VPB30//LCO全電池的能量密度與功率密度關(guān)系曲線

相關(guān)成果以“Towards practical Li-ion full batteries with glass anodes” 為題在國際能源頂刊《Nano Energy》（中科院I區(qū),，TOP期刊,，IF：16.8）上在線發(fā)表。材料科學(xué)與工程學(xué)部2022級碩士生鄭凱為第一作者,，齊魯工業(yè)大學(xué)張艷飛教授,、寧波大學(xué)高成偉副教授和丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征教授為共同通訊作者。該研究得到山東省泰山學(xué)者青年專家項(xiàng)目,、濟(jì)南市人才發(fā)展專項(xiàng),、國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109950