锂离子电池（LIBs）作为重要的能源存储设备，因其高能量密度和长服务寿命而受到广泛关注。随着对快速充电技术需求的增加，开发具有高倍率性能的电极材料变得尤为关键。目前，石墨作为锂离子电池负极材料虽然理论容量较高，但其较低的倍率性能和较大的初始容量损失，难以满足高倍率和高能量密度设备的需求。此外尽管Li4Ti5O12电具有循环稳定性，但其理论容量较低，限制了LIBs的能量密度。因此开发具有高容量和结构稳定性的高倍率电极材料对于发展快速充电和长寿命的LIBs至关重要。

在众多研究中，五氧化二铌（Nb2O5）因其超快的锂存储动力学而受到关注，展现出作为高倍率LIBs负极的潜力。特别是正交晶系的五氧化二铌（T-Nb2O5）被发现具有与锂离子的插层电化学反应，表现出伪电容特性。然而Nb2O5的电子导电性较低，这严重限制了其实际容量和倍率性能。为了提高Nb2O5的导电性和倍率性能，研究者们设计了特定的Nb2O5纳米结构，并通过金属离子掺杂、自掺杂和引入氧缺陷等策略来改善其电子导电性。尽管如此，这些方法在实际应用中仍面临一些主要限制，例如容易聚集、较大的比表面积伴随着更多的副反应和稳定性差等问题。此外，大多数研究为了避免在低截止电压下出现极化和结构不稳定等不良影响，通常在1.0-3.0 V的电位窗口内进行，但这无疑会导致容量降低。因此，开发一种有效的策略，以实现T-Nb2O5在0.01-3.0 V电位窗口内的全部潜力，是提高其在快速充电应用中性能的关键。

针对上述问题，由武汉理工大学组成的研究团队利用泽攸科技TEM原位测量系统进行了深入研究。该团队通过铝掺杂的方法，成功制备了嵌入在氮掺杂碳网络中的微米级铝掺杂正交晶系五氧化二铌（Al-Nb2O5@NC）微球。相关成果以“Al-doped Nb2O5/carbon micro-particles anodes for high rate lithium-ion batteries”发表在《Electrochimica Acta》期刊上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141796

这篇论文的主要研究内容集中在开发一种新型的铝掺杂的正交晶系五氧化二铌（Al-Nb2O5）与氮掺杂碳（NC）复合微球材料（Al-Nb2O5@NC），并将其应用于高倍率性能的锂离子电池（LIBs）负极。研究团队通过溶热法和煅烧法成功合成了Al-Nb2O5@NC微球，并通过一系列实验方法，如X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）等，对材料的晶体结构、形貌、元素价态和组成进行了详细表征。

图 Al-Nb2O5@NC的特性表征

研究发现，铝掺杂不仅增强了材料的结构稳定性，还显著提升了离子和电子的传导性。这种结构的优化减少了Nb在循环过程中的迁移，从而在高倍率充放电条件下保持了稳定的容量。通过原位透射电子显微镜（in-situ TEM）观察，验证了Al-Nb2O5@NC在锂离子插层过程中具有更好的晶体完整性和结构稳定性。

图  Al-Nb2O5@NC在锂化过程中的形貌和微观结构演变

电化学测试结果表明，Al-Nb2O5@NC作为LIBs负极材料，展现出了高倍率充放电性能和循环稳定性。即使在高达20 A g−1的电流密度下，经过9900个循环后，其容量仍能保持在约82 mAh g−1。此外，通过循环伏安测试（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析，研究团队还探讨了Al-Nb2O5@NC的电化学动力学，发现其具有较高的赝电容贡献率，这进一步证实了材料快速的锂离子存储能力。

图 循环后Al-Nb2O5@NC的结构演变

综上，这项研究通过铝掺杂和氮掺杂碳网络的结合，为构建具有高比容量、稳定性和优异倍率性能的快速充放电锂离子电池负极材料提供了一种有效的材料设计和合成策略。

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