2023年12月12日，深圳大學高等研究院蔡興科研究員課題組在著名期刊《Small》上發表了一篇題為“Ternary Lithium Nickel Boride with 1D Rapid-Ion-Diffusion Channels as an Anode for Use in Lithium-Ion Batteries”的研究論文。該成果第一作者是深圳大學高等研究院2021級碩士研究生劉威，蔡興科研究員是該論文唯一通訊作者，深圳大學高等研究院為第一完成單位。
圖1.孔道狀Li1.2Ni2.5B2和層狀LiNiB的結構示意圖
目前，鋰離子電池商用負極材料包括金屬鋰，硅，石墨和尖晶石鈦酸鋰，其中，金屬鋰和硅具有極高的理論容量，但由于鋰枝晶的生長和體積膨脹而穩定性較差。雖然廣泛使用的石墨具有相對較高的理論容量和循環穩定性，但其高擴散能壘以及過低的充電電位在實際應用中容易引發嚴重的安全問題。此外，石墨在高倍率下儲鋰能力較差。鈦酸鋰在高電流密度下表現出優異的循環性能和倍率性能，且鋰離子在長期脫嵌過程中所導致的體積變化微乎其微。然而，鈦酸鋰相對較高的工作電位和較低的理論容量限制了其商業應用場景。
最近，由于過渡金屬硼化物具有良好的電導率和合適的工作電位，它在鋰離子電池負極材料中引起了廣泛的研究關注。硼是一種半金屬，其金屬化合物的工作電位在0.6-1.0 V范圍內，這有可能避免鋰枝晶的生長，同時又不損失太多能量密度。
一維隧道型材料具有高度穩定的結構，且通道內的離子擴散速度快。然而，氟化物和氧化物的氧化還原電位高，這會導致實際應用中電池的能量密度較低。如果能夠成功制備出具有隧道型結構的過渡金屬硼化物，并將其應用于鋰離子電池的負極材料，預計可以表現出合適的工作電位和優秀的循環穩定性。
本研究報告了一種三元過渡金屬硼化物Li1.2Ni2.5B2，它具有高的鋰離子（Li+）儲存容量、顯著的電化學穩定性以及優秀的倍率性能。與傳統的過渡金屬硼化物相比，鋰原子的引入有助于在合成過程中形成一維（1D）Ni/B基蜂窩狀通道。這種Ni/B框架在Li+脫嵌過程中可有效承受應變，因此優化后的Li1.2Ni2.5B2負極在1 A g-1電流密度下，500次充放電循環測試中表現出優秀的循環穩定性。該電極還在0.1、1和5 A g-1下分別具有350、183和80 mA h g-1的出色可逆容量，顯示出1D Ni/B框架作為商業可用的快速充電鋰離子電池負極具備相當大的應用潛力。
此項研究得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金和深圳市科學技術創新委員會的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202309918
