Ultrafast Carbothermal Shock Synthesis of Wadsley–Roth Phase Niobium‐Based Oxides for Fast‐Charging Lithium‐Ion Batteries

材料科学 阳极 氧化铌 碳热反应 阴极 化学工程 复合材料 电极 物理化学 冶金 碳化物 工程类 化学
作者
Qilong Wu,Yuanhong Kang,Guanhong Chen,Jianken Chen,Minghui Chen,Wei Li,Zeheng Lv,Huiya Yang,Pengxiang Lin,Yu Qiao,Jinbao Zhao,Yang Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (23) 被引量:21
标识
DOI:10.1002/adfm.202315248
摘要

Abstract Wadsley–Roth phase niobium‐based oxides show potential as anode candidates for fast‐charging lithium‐ion batteries. Traditional synthesis methods, however, usually involve a time‐consuming calcination process, resulting in poor production efficiency. Herein, a novel carbothermal shock (CTS) method that enables the ultra‐fast synthesis of various Wadsley–Roth phase Nb‐based oxides within seconds is introduced. The extremely rapid heating rates enabled by CTS alter the reaction mechanism from a sluggish solid‐state process to a swift liquid‐phase assisted one and drive the chemical reactions away from equilibrium, thereby generating abundant oxygen vacancies and dislocations. Theoretical calculations reveal that oxygen vacancies significantly lower the energy barrier for Li + diffusion and enhance the intrinsic electronic conductivity. Moreover, dislocations help convert the surface tensile stress arising from Li + intercalation into compressive stress, effectively improving the structural integrity during cycling. Notably, this approach can also be applied to synthesize LiFePO 4 cathode materials under ambient conditions, eliminating the requirement for inert atmospheres. Consequently, the CTS‐synthesized Nb 14 W 3 O 44 ||LiFePO 4 battery demonstrates reversible structural evolution validated by in situ XRD and exceptional cycling ability (e.g., 0.0065% capacity decay per cycle at 4 A g −1 over 3000 cycles). Importantly, the Nb 14 W 3 O 44 ||LiFePO 4 configuration also shows enhanced thermal stability in the Ah‐level pouch cell nail penetration test, confirming its feasibility.
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