微米级致密纳米晶助力高倍率锂离子电池
纳米电极材料具有短程离子扩散距离和快速反应动力学的优势，在高倍率离子电池中可发挥较大潜力，但是过高的比表面积却使其易遭受大量副反应。而微米电极材料具有较好的结构和循环稳定性，但是其晶格扩散能力通常不足以满足锂离子在相同距离下的短时间快速嵌入和脱出。如果将纳米结构整合到微米结构中，并能够同时发挥二者的优势，将为高倍率长循环电极材料带来更多的结构设计思路。
清华大学唐子龙团队采用了一种简单的脱水相变诱导生成原位纳米晶（ODIN）的方法，合成出了一种微米级致密纳米晶，不仅可以同时满足离子的短路扩散，同时可减少与电解液的界面接触。与传统自下而上合成纳米-微米材料的方法（如喷雾造粒、共沉淀自组装等）不同，该研究采用了一种自上而下的微米-纳米材料合成策略——首先合成微米级钒酸盐前驱体，再通过低温相转变过程使晶粒发生细化，从而在微米基体上原位生长出纳米晶。所得到的微米级致密纳米晶为类玻璃-陶瓷复合相，内部具有丰富的晶界/相界面，而比表面积却远低于典型纳米材料。
这一自上而下的纳米-微米复合结构的合成策略，不仅可以使电极材料的比表面积降低从而减小与有机电解液间的副反应，同时可以提供丰富的短程离子扩散路径从而增加离子的脱嵌速率，因而可以使电极材料获得大倍率、高容量和长循环的电化学性能。这一研究在能源领域中对其他前驱体为水合物的过渡金属氧化物电极材料同样具有普适性，也为储能材料中的微米-纳米结构设计提供新思路，并且致密纳米晶电极材料的应用范围也不仅局限于锂离子电池中，还包括对离子扩散能力有更高要求的高价离子电池中。
这一成果作为封面文章近期发表在Advanced Energy Materials 上，论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授、美国麻省理工学院王诗童博士和董岩皓博士，第一作者是清华大学博士研究生李禹彤。
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