鋰離子電池作為高效能源存儲設備，在便攜式電子設備和電動汽車等領域有著廣泛應用。隨著技術進步和市場需求不斷提高，傳統鋰離子電池的性能瓶頸逐漸顯現，特別是在電池的安全性和能量密度方面，開發新型鋰離子電池負極材料成為提升電池性能的關鍵途徑之一。在眾多新型負極材料中，V2O5（五氧化二釩）因其具有較高的理論容量、低成本和資源豐富而備受關注，但也面臨鋰離子擴散速率低和容量衰減較快等問題。為此，齊魯工業大學（山東省科學院）材料科學與工程學部先進玻璃材料團隊提出了無序/有序調節工程概念，利用玻璃做前驅基體材料來提高負極的電化學性能和力學穩定性。
玻璃態材料，相比晶體材料，具有長程無序結構和較大自由體積，在鋰化/脫鋰化過程中能承受體積的變化，促進Li+離子的傳輸，并能夠在鋰離子嵌入和脫出時提供更多的活性位點和提供更多的傳輸通道。此外，玻璃原料及制造成本低，對環境影響小，且易于回收再利用，具有重要的研究意義及應用前景。然而，玻璃負極在實用化時還面臨較多挑戰，特別是它在全電池的性能還不理想，亟需對玻璃材料的組成和結構，以及玻璃的制備條件進行優化。
近日，學部先進玻璃材料團隊將玻璃負極應用在鋰離子全電池中取得實用化突破。團隊利用傳統熔融冷卻法制備了一種新型鋰離子電池負極材料—50V2O5-(50-x)P2O5-xB2O3玻璃（簡稱VPB），一系列電化學測試表明50V2O5-20P2O5-30B2O3（VPB30）玻璃負極具有優異的循環穩定性和倍率性能。首次利用氧化物玻璃作負極，鈷酸鋰作正極通過液態電解質組裝了全電池，該全電池表現出令人鼓舞的整體性能，其在0.1 A g–1電流密度下的放電容量可達150.0 mA h g–1，循環性能穩定。在150 W kg-1 的功率密度下實現了222.5 Wh kg-1的能量密度，并且在5050 W kg-1的高功率密度下提供了86 Wh kg-1的能量密度，證明了玻璃材料在鋰離子電池實際應用中的巨大潛力。本工作不僅為高性能鋰離子電池的進一步發展提供了新思路，也為第一次向玻璃負極在鋰離子全電池中的實際應用和商業化邁進了重要一步。
圖1. VPB30//LCO全電池的電化學性能
圖2. VPB30//LCO全電池的能量密度與功率密度關系曲線
相關成果以“Towards practical Li-ion full batteries with glass anodes”為題近日在國際能源刊物《Nano Energy》（中科院I區，TOP期刊，IF：16.8）上在線發表。材料學部2022級碩士生鄭凱為第一作者，學部張艷飛教授、寧波大學高成偉副教授和丹麥奧爾堡大學岳遠征教授為共同通訊作者。該研究得到山東省泰山學者青年專家項目、濟南市人才發展專項、國家自然科學基金和山東省自然科學基金等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109950
