宁波东方理工大学王长虹，河海大学程亚军，湖南大学郭坤琨CN碳中和：高性能锂离子电池用钛铌氧化物材料编年史-从实验室到工业界之旅

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，已成为便携式电子设备和电动汽车的主流电源。然而，传统电极材料如石墨在高倍率充电和大容量储能方面面临挑战。钛铌氧化物(TiNb_xO_2+2.5x)作为一种新型电极材料，因其独特的电化学性能、良好的安全性和环境友好性，逐渐引起广泛关注。尽管如此，其较低的电导率和锂离子扩散性仍然限制了其实际应用。

河海大学程亚军教授联合宁波东方理工大学(暂名)王长虹教授以及湖南大学郭坤琨教授通过综述文章对钛铌氧化物材料在锂离子电池中的研究进展进行了深入分析，涵盖了从1950年代至今的历史演变。文章将钛铌氧化物的研究历程划分为六个阶段：早期阶段(1950s-2008)：奠定了钛铌氧化物的基础研究，重点讨论其晶体结构和锂离子插入机制；新兴阶段(2008-2012)：开始关注钛铌氧化物在锂离子电池中的应用，展示了其高容量和工作电压的优势；爆发阶段(2013-2017)：钛铌氧化物材料的研究迅速增长，各类合成方法和性能提升策略相继出现；商业化(2018)：研究者们开始探索钛铌氧化物的商业应用，推动材料向实际产品的转化；稳定发展(2018-2022)：在各类优化策略的推动下，材料性能不断提升，研究者们继续探索更加高效的合成方法；新突破阶段(2022至今)：学界针对改进钛铌氧化物快充性能和宽温适应性的研究成果相继发表，工业界正式推出应用钛铌氧化物负极的新能源车辆。

1、历史回顾：文中详细回顾了钛铌氧化物材料作为锂离子电池负极的研究历程，突出了每个阶段的关键发现和进展，为后续研究提供了宝贵的历史参考。

2、结构与机制解析：深入探讨了钛铌氧化物的晶体结构特点以及其锂离子插入机制，揭示了其卓越的电化学性能背后的科学原理。

3、性能提升策略：总结了多种改性策略，包括碳涂层、掺杂和纳米结构设计等，以提高材料的导电性、锂离子扩散性和循环稳定性。

4、未来研究方向：文章对未来的研究方向提出了展望，包括加强材料的电导率、锂离子扩散性生产工艺的规模化，以便更好地满足工业应用需求。

要点1：系统回顾了钛铌氧化物材料的研究历程

图1：钛铌氧化物材料作为锂离子电池负极的研究历程示意图。

图1总结了钛铌氧化物材料作为锂离子电池负极的研究发展历程，强调了发展之路中里程碑式的重要节点。

图2：钛铌氧化物负极材料新兴发展阶段：2008-2012年。

图2节选了钛铌氧化物负极材料在新兴发展阶段(2008-2012年)的代表性研究工作。在此阶段，钛铌氧化物逐渐显示出其作为锂离子电池负极的潜力并获得研究者的关注；研究者们开始尝试合成出不同的钛铌氧化物，确定其晶体结构，并验证其在锂离子电池上的应用。

图3：钛铌氧化物负极材料稳定发展阶段：2018-2022年。

图3总结了钛铌氧化物负极材料在其稳定发展阶段(2018-2022年)的代表性研究工作。经过一段爆发式发展之后，对于钛铌氧化物负极材料合成方法和改性策略方面的研究探索已非常多样化且趋于成熟，钛铌氧化物负极材料的研究在2018年左右进入了稳定发展期。在此期间，研究逐渐关注于生产工艺的规模化，以满足市场对大规模应用的需求，例如通过优化合成参数和提高生产效率来降低成本。新型材料的开发如掺杂和复合材料的探索，使得钛铌氧化物的性能得到了进一步提升，增强了其在锂离子电池中的应用潜力。

要点2：钛铌氧化物卓越电化学性能背后的科学原理

图4：钛铌氧化物负极材料结构与性能总结。

图4总结了钛铌氧化物相较于传统石墨负极的优势、代表性材料的晶体结构以及被报道的各类钛铌氧化物负极材料的电化学性能，为快速了解钛铌氧化物负极材料提供了途径。

图5：钛铌氧化物负极材料工作机制等基础性研究。

图5总结了钛铌氧化物负极材料在锂离子电池中工作机制、储锂特性以及稳定性等方面的基础性研究工作。通过对TiNb₂O₇这一热门材料的储锂机制和特性的深入研究，从材料晶体结构这一基本视角，认识到其优良的循环稳定性和快速充电能力等优点和低电导率等缺点的起因，为进一步优化钛铌氧化物负极材料的电化学性能提供理论指导。

要点3：多种有效的钛铌氧化物负极材料改性策略

图6：铌钛氧化物负极材料的机理研究、优化策略和挑战示意图。

钛铌氧化物的优化策略主要包括以下几个方面：首先是与导电材料的复合，以提高整体电导率；其次是通过掺杂技术，调整材料的成分以改善其电化学性能和稳定性；此外，制备纳米结构或多孔材料可以增加比表面积，从而增强锂离子的扩散速率；最后，开发可扩展的合成方法以推动其产业化应用，这些策略共同致力于克服钛铌氧化物在实际应用中的电导率低和离子扩散性差等问题。

要点4：钛铌氧化物负极材料未来研究方向的展望

图7：钛铌氧化物负极材料研究展望。

未来钛铌氧化物负极材料研究的方向主要集中在提高导电性、设计纳米结构、开发新型合成方法、增强环境友好性、进行界面工程以及拓展应用领域。这些努力旨在通过与导电材料的复合、优化材料结构和合成工艺，以及探索其在其他电化学储能设备中的应用，以提升钛铌氧化物作为高性能锂离子电池负极材料的实际应用潜力。此外，通过理论计算和模拟，可以加速钛铌氧化物负极材料开发。近期，钛铌氧化物负极材料的低温性能和快充能力再次取得突破，这些领域也将是未来钛铌氧化物材料的重点发展方向。

本文通过细致的历史回顾和结构机制分析，全面总结了钛铌氧化物在锂离子电池中的研究进展。尽管铌钛氧化物负极材料具有优越的循环稳定性和快充性能，但其实际应用仍面临挑战。为了解决电导率低和锂离子扩散性差等问题，复合化、纳米化、掺杂等一系列行之有效的改善策略已经获得长足发展；一系列基础性研究也从根本上揭示了铌钛氧化物材料的储锂机制和特性，为今后继续改进其电化学性能提供了参考。通过这一综述，期望能够为钛铌氧化物负极材料的应用和优化开辟新思路，推动其在高性能锂离子电池中的实际应用。

第一作者：彭灿灿

阿德莱德大学化工与先进材料学院博士研究生，硕士毕业于湖南大学，并于中国科学院宁波材料技术与工程研究所联合培养，研究方向为锂离子电池正负极材料。

第一作者：梁苏哲

宁波东方理工大学(暂名)博士后研究员，博士毕业于慕尼黑工业大学物理系，研究方向为固态电池界面工程与先进表征技术。

第一作者：余颖

河海大学新能源学院讲师，本科毕业于南京大学匡亚明学院，博士毕业于香港科技大学，师从中国科学院院士唐本忠教授。研究方向为电化学储能关键材料光电耦合机理及其系统集成技术。

通讯作者：郭坤琨

湖南大学教授，博士生导师，1998年毕业于北京理工大学化工与材料学院；2002年硕士毕业于中国科学院北京化学研究所，导师为方世璧研究员；2005年博士毕业于复旦大学高分子科学系，师从于杨玉良院士。2005年至2009年获得德国马普学会奖学金的资助在德国马克思普朗克胶体与界面研究所国际知名生物物理理论专家Lipowsky教授课题组从事博士后研究。2009年7月任湖南大学材料科学与工程学院副教授。2014年12月晋升为教授、博士生导师。2012年获得日本京都大学FIFC Fellow项目资助，并和日本京都大学展开长期合作。目前主持或已完成国家自然科学基金5项、长沙市重点科技计划、深圳市科技计划项目、教育部归国留学基金、博士点基金、国家重点实验室开放课题、中央高校青年教师成长计划等项目。目前与国内多家知名企事业单位保持紧密合作。近年来在Nature Comm., J. Am. Chem. Soc., Advanced Materials等国际著名期刊发表论文60余篇，总引用次数700余次，H-index指数为15，申请和授权中国发明专利10余项。参与《软物质凝聚态物理发展战略研究报告》中“细胞骨架”的编写工作。

通讯作者：程亚军

河海大学教授/研究员，博士生导师，新能源学院副院长。2000年毕业于北京大学化学与分子工程学院材料化学系，并于2000年-2002年硕博连读；2002年-2004年在德国锡根大学化学-生物学系攻读硕士学位；2007年11月在德国马克斯-普朗克高分子研究所/德国美因茨约翰内斯- 古登堡大学以优秀博士论文成绩获得博士学位（summa cum laude），并荣获2006年度中国优秀自费留学生奖学金；2007年-2010年担任美国国家标准与技术研究院高分子部门客座研究员；从2010年起加入中国科学院宁波材料技术与工程研究所，历任“春蕾”副研究员、项目研究员；2015-2017年在欧盟“玛丽·斯科罗多夫斯卡·居里”行动计划资助下，加入英国牛津大学材料系Peter G Bruce 教授课题组；2021年度获评中国科学院宁波材料技术与工程研究所“优秀导师”荣誉；2023年4月加入河海大学。到目前为止，已在JACS, Angew. Chemie. Int. Ed, Advanced Materials, Nano Energy, ACS Nano, Small, Energy Storage Materials等杂志发表论文100余篇，撰写英文专著章节8章，授权中国发明专利40余项。近5年主持国家、科学院、省市以及企业合作项目累计15项。

通讯作者：王长虹

宁波东方理工大学(暂名)Tenure-Track助理教授，独立PI，博士生导师。2020年1月获得加拿大西安大略大学博士学位(指导老师：孙学良院士)，2014年获得中国科学技术大学硕士学位，2012-2014年为中国科学院苏州纳米所联合培养研究生(指导老师：陈立桅教授);目前主要从事新型卤化物基全固态电池的关键材料与关键技术的研究。截止目前已发表SCI论文100篇，以第一和通讯作者身份发表学术论文39篇, 包括Nature Chemical Engineering, Nature Communications(2篇), Science Advances(2篇), J. Am. Chem. Soc. (1篇), Angew. Chem. Int. Ed.(3篇)，Adv. Mater.(2篇), Energy Environ. Sci.(3篇), Joule(2篇), Matter等国际权威期刊。论文总引用以超过9700余次，个人H-index=54。申请中国及国际专利14件(授权7件)。入选浙江省海外高层次人才计划。

学校简介

宁波东方理工大学（暂名）是一所由虞仁荣教育基金会等社会力量举办、国家重点支持、省市共同建设的高起点、高水平、国际化的新型研究型大学，由国际知名教育家、中国科学院院士陈十一担任创校校长。学校将以卓越的教育、科研和创新推动社会发展，并以服务社会为使命，注重基础研究、强化工程技术、突出前沿交叉，形成以理学、工学、信息、商科为主，兼备特色人文社科的学科体系。学校坚持“志存高远、求真务实”的培养特色，培养具有“宽厚基础、创新能力、家国情怀、国际视野”的拔尖创新人才。详情请见宁波东方理工大学（暂名）官网（https://www.eitech.edu.cn/）。

研究院介绍

依托宁波东方理工大学（暂名），孙学良院士领衔创建物质与能源研究院（暂名），聚集世界一流人才，围绕国家能源战略技术需求，开展新型高比能全固态锂/钠电池及燃料电池应用基础研究。研究院现拥有临时实验场地1000平方米，永久实验场地4000平方米。现已采购2000多万元科研设备，具备先进的材料合成、电池和燃料电池制造、电化学分析及表征能力（SEM、XRD、Raman，FT-IR，Nano-CT等）。研究院具有丰富的同步辐射及中子散射表征资源，此外，学校具有球差电镜中心、高性能计算平台等公共研究设施，为开展科学研究提供了坚实的硬件保障。

导师简介

孙学良教授，宁波东方理工大学(暂名)讲席教授、中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大西安大略大学终身教授、加拿大国家首席科学家、国际期刊《Electrochemical Energy Reviews》创刊主编。主要从事固态电池、锂离子电池和燃料电池基础和应用研究，近年来在新型卤化物固态电解质及其全固态电芯开发方面做出了一系列原创性成果。在权威期刊发表论文680余篇，被引用72000次，H因子142。曾荣获国际最具权威电池技术奖等荣誉。连续6年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和“全球前2%顶尖科学家”。申请专利70余项(授权30项)。

详细信息请见：https://www.eitech.edu.cn/?tid=98&p=teacher

邮箱：xsun@eitech.edu.cn

王长虹，宁波东方理工大学(暂名)Tenure-Track助理教授，独立PI，博士生导师。2020年1月获得加拿大西安大略大学博士学位(指导老师：孙学良院士)，2014年获得中国科学技术大学硕士学位，2012-2014年为中国科学院苏州纳米所联合培养研究生(指导老师：陈立桅教授);目前主要从事新型卤化物基全固态电池的关键材料与关键技术的研究。截止目前已发表SCI论文100篇，以第一和通讯作者身份发表学术论文39篇, 包括Nature Chemical Engineering, Nature Communications(2篇), Science Advances(2篇), J. Am. Chem. Soc. (1篇), Angew. Chem. Int. Ed.(3篇)，Adv. Mater.(2篇), Energy Environ. Sci.(3篇), Joule(2篇), Matter等国际权威期刊。论文总引用以超过9700余次，个人H-index=54。申请中国及国际专利14件(授权7件)。入选浙江省海外高层次人才计划。

详细信息请见：https://www.eitech.edu.cn/?tid=84&p=teacher

招聘方向

1. 新型固态电解质材料创制

2. 全固态锂/钠电池界面设计

3. 全固态电极工程及电芯

4. 全固态电池失效机理分析

5. 原位表征技术

课题组网站：https://wang.eitech.edu.cn/

邮箱：cwang@eitech.edu.cn

招聘岗位及福利待遇

研究教授、研究副教授、研究助理教授：依据个人研究背景、成果面议薪资，按规定缴纳五险一金，享受学校规定的带薪年假、餐补、节假日福利等，符合宁波市人才引进政策的，可同时享受政府人才补贴。

博士后：40-60万年薪(含宁波市政府博士后在站生活补助)，按规定缴纳五险一金，享受学校规定的带薪年假、餐补、节假日福利等，在站期间可申请最高20万元的宁波市政府科研经费资助，获得国家级和省级博士后项目资助的，市政府给予各类项目配套经费支持，出站后颁发中国科学技术大学博士后证书，若留在宁波企事业单位工作的可享受最高60万元相关补贴。

博士生：与上海交通大学(1+3)、中国科学技术大学(1+3)、香港理工大学(2+2)、华威大学(2+2或1+2+1)开展联合培养，满足毕业要求后授予联培高校学位，在联培高校学习期间按照联培高校标准发放生活补助，在东方理工期间按照东方理工相关要求发放生活补助及助研津贴约9万元/年。

科研助理：5000-8000元/月，按照规定缴纳五险一金，享受学校规定的带薪年假、餐补、节假日福利等，符合宁波市人才引进政策的，可同时享受政府人才补贴，表现优秀者可推荐申请联合培养博士生项目或推荐至国内外顶尖高校合作课题组读博。

应聘者请将个人简历和其他能够证明申请人科研能力、进站条件的材料发送到意向导师邮箱，邮件主题请注明“应聘职位+研究方向+姓名“，简历通过筛选后将组织面试。

(1) All-solid-state lithium–sulfur batteries through a reaction engineering lens. Nat. Chem. Eng 2024, 1, 400-410.

(2) Amorphous AlOCl Compounds Enabling Nanocrystalline LiCl with Abnormally High Ionic Conductivity. J. Am. Chem. Soc. 2024.

(3) Deciphering the critical role of interstitial volume in glassy sulfide superionic conductors. Nat. Commun. 2024, 15, 2552.

(4) Materials and chemistry design for low-temperature all-solid-state batteries. Adv. Joule. 2024, 8, 635-657.

(5) Recent Progress on Metal-Organic Framework/Polymer Composite Electrolytes for Solid-State Lithium Metal Batteries: Ion Transport Regulation and Interface Engineering. Energy Environ. Sci., 2024,17, 1854-1884.

(6) A Dual Anion Chemistry-Based Superionic Glass Enabling Long-Cycling All-Solid-State Sodium-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, 202314181.

(7) Manipulating Li₂S₂/Li₂S Mixed Discharge Products of All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries for Improved Cycle Life. Nat. Commun. 2023, 14, 6404.

(8) New Insights into Aliovalent Substituted Halide Solid Electrolytes for Cobalt-Free All-Solid-State Batteries. Energy Environ. Sci., 2023,16, 5136-5143.

(9) In-situ formed three-dimensional lithium metal anode in sulfide-based all-solid-state batteries.  Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300815.

(10) One-Step Calcination Synthesis of Bulk-Doped Surface-Modified Ni-Rich Cathodes with Superlattice for Long-Cycling Li-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, 202300962.

学校简介

河海大学是一所拥有109年办学历史，以水利为特色，工科为主，多学科协调发展的教育部直属全国重点大学，是实施国家“211工程”重点建设、国家优势学科创新平台建设、“双一流”建设以及教育部批准设立研究生院的高校。一百多年来，学校在治水兴邦的奋斗历程中发展壮大，被誉为“水利高层次创新创业人才培养的摇篮和水利科技创新的重要基地”。学校在南京市、常州市设有西康路校区、江宁校区和常州校区。

详情请见河海大学官网：https://www.hhu.edu.cn/170/list.htm。

新能源学院介绍

河海大学新能源学院成立于2023年4月，由能源与电气学院的新能源科学与工程学科和专业调整合并组建，学院最早办学历史可以追溯到1958年水利部批准成立的“水力动力装置”专业，2009年至2023年在能源与电气学院建设。学院参与建设的科研平台包括：可再生能源发电技术教育部工程研究中心、新能源发电与智能电网学科创新引智基地、江苏省配用电与能效工程研究中心、风力发电结构江苏省工程研究中心等省部级平台。学院在常州校区建设1.8万平米的教学科研大楼，将在学校原有的风能、太阳能、抽水蓄能、综合能源和智慧能源人才培养和科学研究基础上，在电化学储能、氢能、新能源材料和器件等领域重点拓展，立足常州和南京，辐射长三角和全国，有力支撑和服务于国家双碳目标。

详情请见新能源学院官网：https://xny.hhu.edu.cn/main.htm。

导师简介

程亚军教授，博士生导师，新能源学院副院长。2000年毕业于北京大学化学与分子工程学院材料化学系，并于2000年-2002年硕博连读；2002年-2004年在德国锡根大学化学-生物学系攻读硕士学位；2007年11月在德国马克斯-普朗克高分子研究所/德国美因茨约翰内斯- 古登堡大学以优秀博士论文成绩获得博士学位(summa cum laude)，并荣获2006年度中国优秀自费留学生奖学金；2007年-2010年担任美国国家标准与技术研究院高分子部门客座研究员；从2010年起加入中国科学院宁波材料技术与工程研究所，历任“春蕾”副研究员、项目研究员；2015-2017年在欧盟“玛丽·斯科罗多夫斯卡·居里”行动计划资助下，加入英国牛津大学材料系Peter G Bruce 教授课题组；2021年度获评中国科学院宁波材料技术与工程研究所“优秀导师”荣誉；2023年4月加入河海大学。到目前为止，已在JACS, Angew. Chemie. Int. Ed, Advanced Materials, Nano Energy, ACS Nano, Small, Energy Storage Materials等杂志发表论文100余篇，撰写英文专著章节8章，授权中国发明专利40余项。近5年主持国家、科学院、省市以及企业合作项目累计15项。

招聘方向

1.电化学储能技术关键装备设计制造及原型器件研究

2.电化学储能系统集成技术研究

3.电化学储能基础电化学过程机理研究

网站：https://jszy.hhu.edu.cn/cyj3/

邮箱：chengyajun@hhu.edu.cn

招聘岗位及福利待遇

参考学校相关标准，面试详谈。应聘者请将个人简历和其他能够证明申请人科研能力、进站条件的材料发送到导师邮箱，邮件主题请注明“应聘职位+研究方向+姓名“，简历通过筛选后将组织面试。

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的22名国际知名专家学者组成，其中编委会14位编委入选2023年度全球“高被引科学家”，8名编委入选爱思唯尔2022“中国高被引学者”。且期刊已被ESCI、DOAJ数据库收录。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

MaterialsViews