研究背景
铌氧化物因其丰富的氧化还原化学成分（Nb5+至Nb1+）、化学稳定性以及众多亚稳态和稳定的多晶型物而成为锂离子电池的有前途的负极材料。
相对于商用石墨电极（<0.3 V），Nb2O5更高的嵌入电位（~1.7 V vs. Li/Li+）使其更不易受到析锂和电解液分解的影响，因此更安全。然而，缓慢的Li+扩散、较差的导电性（~3 × 10-6 S/cm）和低容量阻碍了Nb2O5的发展。
为了解决以上问题，研究一般是通过开发纳米结构和/或添加导电材料（例如石墨烯和碳涂层）来提高电荷存储和传输性能。
改善Nb2O5电极性能的另一个策略是优化其晶体结构。Nb2O5至少有12种不同的晶型。研究最多的T-Nb2O5（正交晶系）电极的平均容量约为170 mAh/g。
目前，合成新型插层金属氧化物电极材料的策略包括传统的固相法、水热法和离子热法。然而，通过这些方法很难获得具有独特性质的亚稳态结构。
最近对其他过渡金属氧化物的研究表明，电化学循环可能为获得新的结构和骨架提供了一条新的合成途径。
工作简介
图片来源：Nature Materials
本文作者Pete Barnes等人报道了电化学驱动的纳米结构Nb2O5在与Li+循环时从非晶态到晶态（a-to-c）的转变，并展示了三个锂离子插入到Nb2O5中（每个Nb约1.5电子氧化还原）。
TEM和同步辐射X射线衍射仪表明，当电极循环到0.5V（相对于Li/Li+）时，非晶态Nb2O5（a-Nb2O5）自发转变为岩盐结构（RS-Nb2O5）。
密度泛函理论（DFT）计算表明，RS-Nb2O5具有极高的Li+存储容量和低的Li+扩散迁移势垒。XPS和X射线吸收光谱（XAS）结果表明，RS-Nb2O5的高容量与其超越Nb5+/Nb4+氧化还原的能力有关。
此外，恒电流间歇滴定技术（GITT）、峰值力隧道原子力显微镜（PF-TUNA）和两点探针电导率测量表明，与非晶态结构相比，RS结构的Li+扩散系数和电导率增加了，这与其倍率性能密切相关。
因此，电化学诱导纳米材料的结晶为发现高能量/功率和稳定的电极材料提供了一种创新的方法，而这些材料以前是用传统的合成方法无法获得的。
图文详情
图片来源：Nature Materials
上图为NCNO（纳米通道型氧化铌Nb2O5）的形貌表征。所制备的样品由垂直取向的纳米通道NCNO组成，这种特殊的纳米结构有助于电解液快速进入活性壁，并促进电子和离子传输以增强动力学。
图片来源：Nature Materials
上图为NCNO在电化学循环过程中的电压分布和微分电容曲线。上图a在初始循环中表现出很大的滞后，这可能是由于机械应力、热力学熵效应、激活极化、成核势垒或活性材料中的晶格扭曲造成的。在第5次和第20次循环中观察到滞后显著减小，表明该电极通过重复地嵌入/脱出Li而自发提高了其热力学和动力学性能。
图片来源：Nature Materials
总结
基于对Nb2O5和TiO2体系的研究，以及对其他金属氧化物体系的最新研究，作者推测，金属氧化物电极中的电化学驱动结晶可能为高容量、高功率和高循环稳定性的电极材料的合成提供一个普适的概念。
作者强调了在电化学循环过程中通过控制转变的过电位来克服新的岩盐相成核障碍的重要性。
本文报告了一种岩盐相Nb2O5电极材料，该材料是通过电化学驱动的无定形纳米通道结构Nb2O5结晶产生的。
RS-Nb2O5表现出单个Nb的多电子氧化还原，用于锂离子存储。DFT计算揭示了显著的低能量锂迁移路径，从而导致 RS-Nb2O5具有出色的电化学性能。
立方结构增加了锂离子的扩散率和导电性，使材料具有高倍率性能。同时，由于脱/嵌锂后结构的完整性，该晶体表现出很高的稳定性。
在电化学循环过程中，原子自组织成最佳晶体结构，为获得具有独特性质的稀有金属氧化物结构提供了一种合成途径。利用电化学循环来形成新的晶体结构，可以为设计其他增强电极材料提供有利条件。
附：
参考文献
Electrochemically induced amorphous-to-rock-salt phase transformation in niobium oxide electrode for Li-ion batteries. Nature Materials, 02 May 2022.
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01242-0
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