当前，在大多数商业化的锂离子电池（LIBs）中，通常使用两种负极活性材料有两种。一，最常见的是石墨，它的能量密度较高，配置石墨负极的LIBs可以供汽车行驶数百英里而无需充电。但是快充过程中锂金属容易在负极一侧沉积产生锂枝晶，这带来了极其严重的安全隐患。二，钛酸锂，一种较安全的替代品，可以实现快速充电，但通常会导致能量密度显著下降。

【成果简介】

最近，美国加州大学圣地亚哥分校Ping Liu（刘平）教授与Shyue Ping Ong（王学彬）教授，加州大学欧文分校Huolin Xin（忻获麟）教授和阿贡国家实验室Jun Lu（陆俊）研究员（通讯作者）发现了一种新型负极材料，该材料可使锂离子电池在数分钟内安全地充电数千次。具体而言，研究者报告了一种无序岩盐氧化物Li3+xV2O5（DRS-Li3+xV2O5），在0.6V的电压下可以可逆地循环两个锂离子。与石墨相比（0.1 V），其拥有更高的电压，能够有效避免因快充导致的锂枝晶现象。

此外，与目前已经商用的快充钛酸锂（Li4Ti5O12，1.5 V）相比，Li3+xV2O5具有更低的电压，更高的比容量，组成全电池时具有更高的能量密度。因此这种新型无序的岩盐负极Li3+xV2O5处于中间位置：它比石墨更安全，所组成电池的能量密度比Li4Ti5O12至少高出71％。更加重要的是，使用Li3V2O5负极材料在循环1000次之后，容量衰减可忽略不计。不仅如此，其还具有出色的倍率性能，可在20秒内可达到40%的容量。结合第一性原理计算，该工作揭示了Li3+xV2O5在嵌锂过程中锂离子的最优传导路径会由于锂的重新分布而发生改变，这也解释了该材料为什么拥有快速锂离子传导特性以及较低的平均循环电势。相关研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”为题发表在Nature上。本文第一作者为Haodong Liu和Zhuoying Zhu。

【核心内容】

富锂无序岩盐（DRS）氧化物是已知的最有前途的正极材料，本身由于八面体-四面体-八面体途径的渗透网络实现快速锂（Li）迁移。但没有出现关于进一步研究DRS氧化物作为潜在的锂离子电池负极材料。结果表明，当放电截止电压延长到1.9V时，三个Li+嵌入到V2O5中形成Li3V2O5，令人惊讶的是，1V以下的锂化平台表明Li可以进一步插入ω-Li3V2O5。DRS-Li3+xV2O5在0.1 A g-1的电流密度下，比容量达到266 mA h g-1。此外，0.6 V的平均工作电压介于钛酸锂和石墨之间，非常适合应用于快充和高能量密度电池。

图1. 原始和锂化DRS-Li3+xV2O5的电压曲线和结构表征。（a）在电流密度为0.1 A g-1的情况下，石墨、Li4Ti5O12和DRS-Li3+xV2O5的实验电压曲线；（b）DRS-Li3+xV2O5的晶体结构；（c）DRS-Li3+xV2O5和锂化DRS-Li3+xV2O5的中子衍射；（d-i）DRS-Li3+xV2O5的ABF-STEM图像和快速傅里叶变换。

图2. 由DFT计算得出DRS-Li3+xV2O5的 Li位置占有率和电压曲线。（a）0-TM（T1）和1-TM（T2）四面体Li插入位点；（b）当Li插入0-TM（T1）位点时，四个相邻的LiO 6八面体的偏心位移；（c）根据DFT计算，在插入Li后，四面体和八面体中Li位置占有率的演变；（d）根据PBE+U函数计算得出的实验和计算电压曲线。

图3. DRS-Li3V2O5的电化学性能。（a）电压窗口为0.01-2.0 V的各种充放电电流密度下的循环稳定性；（b）不同电流密度下的电压曲线；（c）DRS-Li3V2O5在电流密度为1 A g-1下的长循环稳定性；（d）DRS-Li3V2O5 || LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2全电池在0.5 A g-1下的循环稳定性；（e）在1.5-3.9 V的电压窗口时的电压曲线。从0.1 A g-1到20 A g-1的电流密度下，测试了活性物质载量为2-3 mg cm2的DRS-Li3V2O5 电极，其充电放电时间为2.66h至20s。

图4. 在Li3V2O5放电开始时的Li迁移势垒（x≈0）和放电结束时的空位迁移势垒（x≈2）。

【结论展望】

总而言之，这种新型无序的岩盐负极Li3V2O5克容量虽然比石墨低一些，但它嵌脱锂更快，更安全且寿命更长。与目前商业化的快充钛酸锂相比，它的电压低得多，所有能量密度得到极大提高。因此，使用这种材料，可以制造出寿命长，充电快，安全性高的电池，同时还能兼顾较高的能量密度。

Haodong Liu, Zhuoying Zhu, Qizhang Yan , Sicen Yu , Xin He , Yan Chen , Rui Zhang , Lu Ma , Tongchao Liu , Matthew Li , Ruoqian Lin , Yiming Chen , Yejing Li , Xing Xing , Yoonjung Choi , Lucy Gao , Helen Sung-yun Cho , Ke An , Jun Feng, Robert Kostecki , Khalil Amine , Tianpin Wu，Jun Lu , Huolin L. Xin , Shyue Ping Ong ，Ping Liu ，A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries，2020，DOI：10.1038/s41586-020-2637-6