Internal and External Cultivation Design of Zero‐Strain Columbite‐Structured MNb2O6 toward Lithium‐Ion Capacitors as Competitive Anodes

材料科学 阳极 电化学 锂(药物) 离子 电池(电) 电容器 锂离子电池 结构稳定性 离子键合 化学物理 化学工程 热力学 物理化学 电压 电极 电气工程 化学 物理 内分泌学 功率(物理) 工程类 有机化学 医学 结构工程
作者
Chao Cheng,Dongxu Wu,Tianyu Gong,Yunshen Yan,Yang Liu,Wei-xiao Ji,Linrui Hou,Changzhou Yuan
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (38) 被引量:28
标识
DOI:10.1002/aenm.202302107
摘要

Abstract Modest rate behaviors and structural collapse of battery‐type anodes limit the commercial application of lithium‐ion capacitors (LICs). For this, rational design of advanced anodes with both structural stability and high ionic/electronic conductivities becomes essential to advanced LICs. Herein, a general avenue is developed to construct a series of single‐crystal nano‐blocks assembled as “zero‐strain” columbite‐structured MNb 2 O 6 (M = Cd, Co, Zn, Mn, Mg, Ca) accordion frameworks toward LICs. The intrinsic Li + (de)insertion involves a solid‐solution charge storage mechanism with a volumetric change of <0.59% over (de)lithiation as established with systematical in(ex) situ analysis. The MNb 2 O 6 exhibits M‐dependent electron/ion transport capabilities, along with the highest electronic and Li + diffusion rates and the smallest volume change (0.32%) for CdNb 2 O 6 . Thanks to its robust structure and superb electron/ion conductivities originating from the “internal (i.e., ionic/electronic transport optimization) and external (i.e., structural design) cultivation” design, the CdNb 2 O 6 shows the optimum electrochemical behaviors with a capacity of 102.8 mAh g −1 at 10 A g −1 and capacity retention of 80.3% after 20 000 cycles at 5 A g −1 . The assembled CdNb 2 O 6 ‐based LICs display high‐rate energy density and long‐duration stability. More importantly, the devised strategy provides meaningful guidance for optimum design of next‐generation LICs.
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