2023年12月12日，太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司高等研究院蔡兴科研究员课题组在著名期刊《Small》上发表了一篇题为“Ternary Lithium Nickel Boride with 1D Rapid-Ion-Diffusion Channels as an Anode for Use in Lithium-Ion Batteries”的研究论文。该成果第一作者是太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司高等研究院2021级硕士研究生刘威，蔡兴科研究员是该论文唯一通讯作者，太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司高等研究院为第一完成单位。
图1.孔道状Li1.2Ni2.5B2和层状LiNiB的结构示意图
目前，锂离子电池商用负极材料包括金属锂，硅，石墨和尖晶石钛酸锂，其中，金属锂和硅具有极高的理论容量，但由于锂枝晶的生长和体积膨胀而稳定性较差。虽然广泛使用的石墨具有相对较高的理论容量和循环稳定性，但其高扩散能垒以及过低的充电电位在实际应用中容易引发严重的安全问题。此外，石墨在高倍率下储锂能力较差。钛酸锂在高电流密度下表现出优异的循环性能和倍率性能，且锂离子在长期脱嵌过程中所导致的体积变化微乎其微。然而，钛酸锂相对较高的工作电位和较低的理论容量限制了其商业应用场景。
最近，由于过渡金属硼化物具有良好的电导率和合适的工作电位，它在锂离子电池负极材料中引起了广泛的研究关注。硼是一种半金属，其金属化合物的工作电位在0.6-1.0 V范围内，这有可能避免锂枝晶的生长，同时又不损失太多能量密度。
一维隧道型材料具有高度稳定的结构，且通道内的离子扩散速度快。然而，氟化物和氧化物的氧化还原电位高，这会导致实际应用中电池的能量密度较低。如果能够成功制备出具有隧道型结构的过渡金属硼化物，并将其应用于锂离子电池的负极材料，预计可以表现出合适的工作电位和优秀的循环稳定性。
本研究报告了一种三元过渡金属硼化物Li1.2Ni2.5B2，它具有高的锂离子（Li+）储存容量、显著的电化学稳定性以及优秀的倍率性能。与传统的过渡金属硼化物相比，锂原子的引入有助于在合成过程中形成一维（1D）Ni/B基蜂窝状通道。这种Ni/B框架在Li+脱嵌过程中可有效承受应变，因此优化后的Li1.2Ni2.5B2负极在1 A g-1电流密度下，500次充放电循环测试中表现出优秀的循环稳定性。该电极还在0.1、1和5 A g-1下分别具有350、183和80 mA h g-1的出色可逆容量，显示出1D Ni/B框架作为商业可用的快速充电锂离子电池负极具备相当大的应用潜力。
此项研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳市科学技术创新委员会的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202309918
