Adv. Mater: 硼嵌入金属铁基体中作为一种性能优异的新型锂离子电池阳极材料

【引言】

除了有毒的铍之外，硼是最轻的与Li形成合金的元素，是锂离子电池（LIBs）最理想的阳极材料之一，在形成Li₅B时具有高达12395 mAhg^-1的理论比容量。此外，它还具有重量轻，储量大，成本低，无毒等特点。然而，硼基材料却不是研究热点，因为Li₅B可能仅在B处于原子分离/分散形式时存在，而当材料聚集时几乎不能被活化以存储/释放Li。尽管已经进行了一些有价值的关于硼基材料作为锂离子电池阳极材料的尝试，但应该更加努力地设计具有高性能的新的B基阳极材料。

【成果简介】

近日，北京大学黄富强教授（通讯作者）通过电化学活化前驱体Fe₂B/Fe和B₂O3/Fe将惰性B分散在Fe基质中这一巧妙的设计将惰性B活化为高比容量的阳极材料。该材料具有很高的比容量和振实密度（2.12g/cm³）,优异的循环稳定性（在0.1Ag-1的电流密度下经过250次循环后，容量为3180 mAhcm^-3）和极佳的倍率性能。高导电性Fe基质首先活化B₂O₃以可逆地储存/释放Li，在长时间锂化/脱锂反应期间将其还原为B。Fe/FeO_x可以逐渐从Li₂O中接受O，Li₂O是B₂O₃/Li反应的产物，确保B₂O₃/B转化的小容量损失。 随后，在高导电性Fe基质中分散B，使其与Li锂化/脱锂，从而使容量反复增加。高导电性基质促进了硼基材料的可逆Li储存，可能为先进的阳极材料开辟了新的大门。相关研究成果“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一 B基LIB阳极材料的设计示意图

图二 Fe-B合金的物理化学性质和纯B、Fe-B-1wt％电极的电化学性能

（A） Fe-B合金的X射线衍射（XRD）图案

（B）Fe和Fe₂B的晶体结构

（C）Fe2p和B1的X射线光电子能谱（XPS）

（D）纯B、Fe-B-1wt％电极在电流密度为0.1A g^-1的充放电长循环图

图三 制备的Fe-B-O杂化材料的物相表征

（A）未退火的，退火的Fe-B-O杂化物（UFBO和AFBO）材料和退火的Fe₂O₃的X射线衍射（XRD）图案

（B）一些标准物质（Fe，Fe₂O₃，B，B₂O₃和NaBO₂，它们都是分析试剂）和退火过程前后的Fe-B-O杂化材料的拉曼光谱。

（C）Fe 2p和B 1的X射线光电子能谱（XPS）

（D）UFBO和AFBO杂化材料的N2吸附-解吸等温线。

（E）退火样品的TEM图像。插图：对应的选区电子衍射（SAED）图案。

（F）样品的导电性。

图四 AFBO电极的电化学性能

（A）第1，2，5和250 圈的CV曲线，扫描速率为0.3 mVs^-1。

（B）惰性气体（Ar）注射棒的图像，其可以将样品装载在惰性气体（Ar）手套箱中，然后将它们转移到XPS的高真空（≈10-9Pa）测试室中而不暴露在空气中。

（C）不同截止电位的AFBO电极的B1s XPS光谱，与之对应

（D）第一次放电（蓝色）/充电（红色）曲线和第二次放电（绿色）曲线的展开CV曲线。

（E）恒电流充电/放电比容量与AFA，UFBO和Fe2O3电极在0.1A g^-1的循环对比。

图五 AFBO电极的电化学稳定性

（A）AFBO电极在电流密度为0.5,1.0和2.0 A g^-1时的长期循环稳定性。

（B）AFBO（退火Fe/FeOx/B₂O₃）杂化材料跟已有文献报道中B基材料的电化学性能对比

图六 A）Fe-B 1％和B）AFBO电极的充电/放电过程中演变的示意性微观结构

【小结】

总之，尽管B和B₂O₃作为LIB的阳极材料具有极高的理论容量，但由于它们的电化学惰性，它们不是研究热点。本文证明了当与Fe合金化时可以激活B（1％）并且如果仅计算B的质量则显示10700 mA hg^-1的比容量。在实际应用中，开发了B2O3/Fe杂化材料，其具有具有很高的比容量和振实密度,优异的循环稳定性和极佳的倍率性能。这种混合材料的体积容量甚至超过了现有的基于Si的阳极材料。作者怀疑高导电性Fe基质首先可逆地活化B₂O₃以储存/释放Li，在长时间的锂化/脱锂反应过程中将其还原为B并分散成Fe晶格。这种在高导电基质中的原子分散的B可以与Li锂化/脱锂，从而使容量不断增加。在实际应用时，仍然需要进一步研究B基阳极材料，需要提高其稳定性。如何在初始循环中发展B基阳极的能力并在长期循环期间保持稳定仍然是很大的挑战。此外，需要探索和理解深层机制。尽管如此，高导电性基质促进了硼的可逆Li储存，其氧化物可为先进的阳极材料打开新的大门。

文献链接：“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”(Adv.Mater. DOI: 10.1002/adma.201801409)

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试、数据分析，上测试谷！