鋰離子電池作為現(xiàn)今最成熟、最可靠的高密度儲(chǔ)能方式，寄托了電動(dòng)汽車發(fā)展的全部希望。為了推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，國家相關(guān)部門提出2020年動(dòng)力電池比能量需要達(dá)到300Wh/kg以上，如此高的比能量需要應(yīng)用到更高容量的高鎳三元材料和硅碳復(fù)合負(fù)極材料。在目前正極材料容量提升緩慢的情況下，硅碳負(fù)極的應(yīng)用成為了提升鋰離子電池能量密度最為有效的方法。然而，硅碳材料在嵌鋰過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹，引起顆粒粉化和電極結(jié)構(gòu)破壞，因此目前主流的硅碳負(fù)極的添加量都在10%左右，繼續(xù)提高負(fù)極容量就需要采用新材料體系。

B元素是最輕的元素之一，能夠與Li形成合金，其理論容量最高可達(dá)12395mAh/g(形成Li5B合金)，然而B元素只有在原子狀態(tài)才能夠與Li發(fā)生合金化反應(yīng)，常規(guī)的單質(zhì)B和B氧化物都很難與Li反應(yīng)，因此B元素受到的關(guān)注比較少。為了解決這一問題，上海硅酸鹽研究所的Wujie Dong(第一作者)、Fuqiang Huang(通訊作者)嘗試將B元素分散在Fe導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)之中，形成Fe/B合金(實(shí)際上B也是一種常見的鋼鐵合金元素，起到細(xì)化晶粒，增強(qiáng)鋼鐵韌性的作用)，根據(jù)B添加量的不同這種負(fù)極材料的最高容量可達(dá)10700mAh/g(只考慮B元素重量)，為了提高實(shí)用性Wujie Dong設(shè)計(jì)了B2O3/FeOx復(fù)合電極，該電極的初始容量可達(dá)800mAh/g(0.1A/g)，循環(huán)250次后提高到1500mAh/g，并表現(xiàn)出了良好的倍率性能，在0.5A/g電流密度下穩(wěn)定容量可達(dá)1250mAh/g，在1A/g的電流密度下穩(wěn)定容量可達(dá)1200mAh/g，在2A/g的電流密度下穩(wěn)定容量可達(dá)800mAh/g，更為關(guān)鍵的是該材料的振實(shí)密度達(dá)到2.12g/cm2，幾乎是石墨材料的兩倍，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料。

Wujie Dong通過向Fe粉中添加一定比例(1-11%)的B粉，然后利用固相反應(yīng)的方式進(jìn)行加熱處理，制備含有Fe和Fe2B合金的負(fù)極材料，然后合金負(fù)極材料采用高能球墨進(jìn)行研磨，以降低顆粒的粒徑。下圖為純B粉和1%B的Fe合金粉的循環(huán)曲線，從圖中看到純B粉初始放電容量僅為92mAh/g，循環(huán)200次后就下降到了6mAh/g(0.1A/g，3V-0.01V)，表明純B粉活性很低無法作為負(fù)極材料使用，1%B的Fe合金粉材料初始容量也僅為30mAh/g，與純B材料比較接近，然而在循環(huán)過程中該材料的容量持續(xù)升高，在循環(huán)到1400次后，其可逆容量增加到了107mAh/g，如果僅僅考慮其中B元素的含量，則可逆容量可達(dá)10700mAh/g，接近B元素的理論容量。

B含量分別為1%、7%和11%的Fe/B合金負(fù)極材料的循環(huán)伏安曲線如下圖D-F所示，下圖C為B元素的循環(huán)伏安曲線，從圖中可以看到材料的還原峰出現(xiàn)在0V附近，對應(yīng)的反應(yīng)為形成LiXB，首次嵌鋰過程中在0.5-0.75V出現(xiàn)的電流峰主要是電解液還原生成SEI膜，在后續(xù)的循環(huán)中就消失了。

下圖為B粉和1-7%B含量的B/Fe合金負(fù)極在不同循環(huán)周期中的充放電曲線，從圖中能夠看到相比于純B負(fù)極，B/Fe合金負(fù)極的容量明顯提高，這主要是因?yàn)锽元素分散在Fe相中，極大的縮短了Li+的擴(kuò)散距離，同時(shí)Fe相提供了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善了嵌鋰的動(dòng)力學(xué)條件，并且隨著不斷循環(huán)B元素因?yàn)榍朵嚩l(fā)生體積膨脹，還會(huì)進(jìn)一步的促進(jìn)B元素在Fe相中的分散，因此B/Fe合金負(fù)極的容量會(huì)隨著循環(huán)而持續(xù)提升。這里需要指出的是雖然以B元素為基準(zhǔn)B/Fe合金負(fù)極的比容量很高，但是當(dāng)我們將Fe元素的質(zhì)量也考慮在內(nèi)時(shí)，材料的整體容量就非常低了(100mAh/g，并且還需要長時(shí)間的活化過程)，因此沒有實(shí)用價(jià)值，為了解決這一問題，作者又將目光轉(zhuǎn)向了B2O3材料。

B元素的理論最大容量可達(dá)12395mAh/g，但是也會(huì)伴隨著巨大的體積膨脹，一般我們認(rèn)為金屬氧化物能夠有效的抑制嵌鋰過程中的體積膨脹，例如SnO2材料能夠很好的抑制嵌鋰過程中的體積膨脹，而Li與B2O3反應(yīng)的吉布斯自由能為-489.3kJ/mol，理論上是一個(gè)自發(fā)反應(yīng)，然而B2O3材料的導(dǎo)電性極差(<10-13S/cm)，導(dǎo)致B2O3無法正常嵌鋰，為了解決這一問題Wujie Dong設(shè)計(jì)了B2O3/FeOx復(fù)合電極，復(fù)合電極經(jīng)過燒結(jié)后電導(dǎo)率提高到了1.6S/cm。

從下圖能夠看到B2O3材料由于電導(dǎo)率極差，因此可逆容量僅為20mAh/g，F(xiàn)e2O3材料的可逆容量雖然高達(dá)1000mAh/g，但是在循環(huán)中迅速衰降，而經(jīng)過燒結(jié)后的B2O3/FeOx復(fù)合電極初始容量為800mAh/g左右，隨著循環(huán)不斷升高，循環(huán)200次后達(dá)到1500mAh/g，同時(shí)由于復(fù)合電極的振實(shí)密度高到2.12g/cm3，因此在體積能量密度上具有無以倫比的優(yōu)勢。

同時(shí)B2O3/FeOx復(fù)合電極還表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能在0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0和10 A/g的電流密度下，可逆容量分別達(dá)到850, 810, 750, 680,550和430mAh/g，在恢復(fù)到0.1A/g的電流密度后復(fù)合電極的容量持續(xù)的升高，最后達(dá)到1500mAh/g。

B元素的理論比容量可達(dá)12395mAh/g，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料，但是由于其動(dòng)力學(xué)條件太差，因此很難作為負(fù)極材料使用，B/Fe合金負(fù)極如果只考慮B元素的重量，其比容量可達(dá)10700mAh/g，但是考慮上Fe元素的重量后，其可逆容量則僅僅達(dá)到100mAh/g左右，因此作者將目光轉(zhuǎn)向了B2O3/FeOx復(fù)合電極，其初始可逆容量為800mAh/g，穩(wěn)定后可逆容量可達(dá)1500mAh/g，并且具有高振實(shí)密度(2.12g/cm3)，因此在體積能量密度上更加具有優(yōu)勢，甚至好于以高容量著稱的Si負(fù)極材料，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。