锂离子电池作为高效能源存储设备，在便携式电子设备和电动汽车等领域有着广泛应用。随着技术进步和市场需求不断提高，传统锂离子电池的性能瓶颈逐渐显现，特别是在电池的安全性和能量密度方面，开发新型锂离子电池负极材料成为提升电池性能的关键途径之一。在众多新型负极材料中，V2O5（五氧化二钒）因其具有较高的理论容量、低成本和资源丰富而备受关注，但也面临锂离子扩散速率低和容量衰减较快等问题。为此，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部先进玻璃材料团队提出了无序/有序调节工程概念，利用玻璃做前驱基体材料来提高负极的电化学性能和力学稳定性。
玻璃态材料，相比晶体材料，具有长程无序结构和较大自由体积，在锂化/脱锂化过程中能承受体积的变化，促进Li+离子的传输，并能够在锂离子嵌入和脱出时提供更多的活性位点和提供更多的传输通道。此外，玻璃原料及制造成本低，对环境影响小，且易于回收再利用，具有重要的研究意义及应用前景。然而，玻璃负极在实用化时还面临较多挑战，特别是它在全电池的性能还不理想，亟需对玻璃材料的组成和结构，以及玻璃的制备条件进行优化。
近日，学部先进玻璃材料团队将玻璃负极应用在锂离子全电池中取得实用化突破。团队利用传统熔融冷却法制备了一种新型锂离子电池负极材料—50V2O5-(50-x)P2O5-xB2O3玻璃（简称VPB），一系列电化学测试表明50V2O5-20P2O5-30B2O3（VPB30）玻璃负极具有优异的循环稳定性和倍率性能。首次利用氧化物玻璃作负极，钴酸锂作正极通过液态电解质组装了全电池，该全电池表现出令人鼓舞的整体性能，其在0.1 A g–1电流密度下的放电容量可达150.0 mA h g–1，循环性能稳定。在150 W kg-1 的功率密度下实现了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，证明了玻璃材料在锂离子电池实际应用中的巨大潜力。本工作不仅为高性能锂离子电池的进一步发展提供了新思路，也为第一次向玻璃负极在锂离子全电池中的实际应用和商业化迈进了重要一步。
图1. VPB30//LCO全电池的电化学性能
图2. VPB30//LCO全电池的能量密度与功率密度关系曲线
相关成果以“Towards practical Li-ion full batteries with glass anodes”为题近日在国际能源刊物《Nano Energy》（中科院I区，TOP期刊，IF：16.8）上在线发表。材料学部2022级硕士生郑凯为第一作者，学部张艳飞教授、宁波大学高成伟副教授和丹麦奥尔堡大学岳远征教授为共同通讯作者。该研究得到山东省泰山学者青年专家项目、济南市人才发展专项、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109950
