Mixed-phase enabled high-rate copper niobate anodes for lithium-ion batteries

铌酸锂 阳极 材料科学 锂(药物) 离子 相(物质) 冶金 光电子学 电极 化学 医学 内分泌学 物理化学 有机化学
作者
Benjamin Jäger,Luuk Kortekaas,Johan E. ten Elshof,Jan‐Willem G. Bos,Moniek Tromp,Mark Huijben
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (7): 5130-5142 被引量:6
标识
DOI:10.1039/d4ta07548j
摘要

The advancement of rapid-response grid energy storage systems and the widespread adoption of electric vehicles are significantly hindered by the charging times and energy densities associated with current lithium-ion battery technology. In state-of-the-art lithium-ion batteries, graphite is employed as the standard negative electrode material. However, graphite suffers from polarization and deteriorating side-reactions at the high currents needed for fast charging. Transition metal-oxide anodes are attractive alternatives due to their enhanced power density. However, often these anodes make use of toxic or scarce elements, significantly limiting their future potential. In this work, we propose a new, facile solid-state synthesis method to obtain non-toxic, abundant, mixed-phase copper niobate (Cu x Nb y O z ) anodes for lithium-ion batteries. The material consists of various phases working synergistically to deliver high electrochemical capacities at exceptional cycling rates (167 mA h g-1 at 1C, 95 mA h g-1 at 10C, 65 mA h g-1 at 60C and 37 mA h g-1 at 250C), large pseudocapacitive response (up to 90%), and high Li+ diffusion coefficient (1.8 × 10-12 cm2 s-1), at a stable capacity retention (99.98%) between cycles. Compared to graphite, at a comparable energy density (470 W h L-1), the composite material exhibits a 70 times higher power density (27 000 W L-1). These results provide a new perspective on the role of non-toxic and abundant elements for realizing ultrafast anode materials for future energy storage devices.
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