Adv. Mater: 硼嵌入金屬鐵基體中作為一種性能優異的新型鋰離子電池陽極材料

【引言】

除了有毒的鈹之外，硼是最輕的與Li形成合金的元素，是鋰離子電池（LIBs）最理想的陽極材料之一，在形成Li₅B時具有高達12395 mAhg^-1的理論比容量。此外，它還具有重量輕，儲量大，成本低，無毒等特點。然而，硼基材料卻不是研究熱點，因為Li₅B可能僅在B處于原子分離/分散形式時存在，而當材料聚集時幾乎不能被活化以存儲/釋放Li。盡管已經進行了一些有價值的關于硼基材料作為鋰離子電池陽極材料的嘗試，但應該更加努力地設計具有高性能的新的B基陽極材料。

【成果簡介】

近日，北京大學黃富強教授（通訊作者）通過電化學活化前驅體Fe₂B/Fe和B₂O3/Fe將惰性B分散在Fe基質中這一巧妙的設計將惰性B活化為高比容量的陽極材料。該材料具有很高的比容量和振實密度（2.12g/cm³）,優異的循環穩定性（在0.1Ag-1的電流密度下經過250次循環后，容量為3180 mAhcm^-3）和極佳的倍率性能。高導電性Fe基質首先活化B₂O₃以可逆地儲存/釋放Li，在長時間鋰化/脫鋰反應期間將其還原為B。Fe/FeO_x可以逐漸從Li₂O中接受O，Li₂O是B₂O₃/Li反應的產物，確保B₂O₃/B轉化的小容量損失。 隨后，在高導電性Fe基質中分散B，使其與Li鋰化/脫鋰，從而使容量反復增加。高導電性基質促進了硼基材料的可逆Li儲存，可能為先進的陽極材料開辟了新的大門。相關研究成果“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一?B基LIB陽極材料的設計示意圖

圖二 Fe-B合金的物理化學性質和純B、Fe-B-1wt％電極的電化學性能

（A）?Fe-B合金的X射線衍射（XRD）圖案

（B）Fe和Fe₂B的晶體結構

（C）Fe2p和B1的X射線光電子能譜（XPS）

（D）純B、Fe-B-1wt％電極在電流密度為0.1A g^-1的充放電長循環圖

圖三 制備的Fe-B-O雜化材料的物相表征

（A）未退火的，退火的Fe-B-O雜化物（UFBO和AFBO）材料和退火的Fe₂O₃的X射線衍射（XRD）圖案

（B）一些標準物質（Fe，Fe₂O₃，B，B₂O₃和NaBO₂，它們都是分析試劑）和退火過程前后的Fe-B-O雜化材料的拉曼光譜。

（C）Fe 2p和B 1的X射線光電子能譜（XPS）

（D）UFBO和AFBO雜化材料的N2吸附-解吸等溫線。

（E）退火樣品的TEM圖像。插圖：對應的選區電子衍射（SAED）圖案。

（F）樣品的導電性。

圖四?AFBO電極的電化學性能

（A）第1，2，5和250 圈的CV曲線，掃描速率為0.3 mVs^-1。

（B）惰性氣體（Ar）注射棒的圖像，其可以將樣品裝載在惰性氣體（Ar）手套箱中，然后將它們轉移到XPS的高真空（≈10-9Pa）測試室中而不暴露在空氣中。

（C）不同截止電位的AFBO電極的B1s XPS光譜，與之對應

（D）第一次放電（藍色）/充電（紅色）曲線和第二次放電（綠色）曲線的展開CV曲線。

（E）恒電流充電/放電比容量與AFA，UFBO和Fe2O3電極在0.1A g^-1的循環對比。

圖五?AFBO電極的電化學穩定性

（A）AFBO電極在電流密度為0.5,1.0和2.0 A g^-1時的長期循環穩定性。

（B）AFBO（退火Fe/FeOx/B₂O₃）雜化材料跟已有文獻報道中B基材料的電化學性能對比

圖六?A）Fe-B 1％和B）AFBO電極的充電/放電過程中演變的示意性微觀結構

【小結】

總之，盡管B和B₂O₃作為LIB的陽極材料具有極高的理論容量，但由于它們的電化學惰性，它們不是研究熱點。本文證明了當與Fe合金化時可以激活B（1％）并且如果僅計算B的質量則顯示10700 mA hg^-1的比容量。在實際應用中，開發了B2O3/Fe雜化材料，其具有具有很高的比容量和振實密度,優異的循環穩定性和極佳的倍率性能。這種混合材料的體積容量甚至超過了現有的基于Si的陽極材料。作者懷疑高導電性Fe基質首先可逆地活化B₂O₃以儲存/釋放Li，在長時間的鋰化/脫鋰反應過程中將其還原為B并分散成Fe晶格。這種在高導電基質中的原子分散的B可以與Li鋰化/脫鋰，從而使容量不斷增加。在實際應用時，仍然需要進一步研究B基陽極材料，需要提高其穩定性。如何在初始循環中發展B基陽極的能力并在長期循環期間保持穩定仍然是很大的挑戰。此外，需要探索和理解深層機制。盡管如此，高導電性基質促進了硼的可逆Li儲存，其氧化物可為先進的陽極材料打開新的大門。

文獻鏈接：“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”(Adv.Mater.?DOI: 10.1002/adma.201801409)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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