1. 背景
高功率锂离子电池对负极材料提出了“高容量、快动力学、长寿命、宽温域”的复合要求。Nb2O5 具备 Nb5+/Nb3+ 多电子反应潜力，但致密原子堆积限制 Li+ 迁移；相比之下，Wadsley-Roth 相钛铌氧化物拥有更开放的剪切结构，其中 Ti2Nb10O29 理论容量高、堆积因子低，是高倍率负极的重要候选。然而，传统热平衡合成会促使 Ti/Nb 有序排布以维持局域电荷平衡，导致迁移通道被剪切面阻断、电子/离子传输不足，因此如何在晶体框架内引入可控无序并稳定缺陷结构，成为提升钛铌氧化物倍率性能的关键问题。
2. 论文概要
2026年6月10日，上海交通大学黄富强、董武杰团队在Advanced Materials期刊发表题为“Partial Atomic Disordered Ti2Nb10O29-x Induced by Joule Thermal Shock for Superior Lithium-Ion Storage”的研究论文。该研究提出“原子级选择性拓扑刻蚀非晶前驱体 + 焦耳热冲击”的非平衡合成策略：先构筑 Ti/Nb 随机分布且高反应活性的非晶前驱体，再通过约 500 ℃ s-1 的快速升温和约 250 ℃ s-1 的快速淬冷，将局域 Ti/Nb 无序与高浓度氧空位锁定在 Ti2Nb10O29-x 中。该结构同时降低堆积因子、拓宽 Li+ 扩散通道、提升电子电导并激活更多氧化还原对，使材料在 0.1 C 下达到 353 mAh g-1，150 C 下仍保持 112 mAh g-1，10 C 下稳定循环 5000 圈，并可在 -40 ℃ 至 80 ℃ 宽温区工作，展示了通过调控原子有序度突破高功率负极性能瓶颈的可行路径。
3. 图文解读
图 1：该图给出材料设计、形貌与基础结构证据。传统固相慢热得到有序 S-Ti2Nb10O29，慢热缺氧条件得到“有序 + 氧空位”的 O-Ti2Nb10O29-x，而焦耳热冲击可在短时间内锁定“Ti/Nb 无序 + 氧空位”。SEM 显示目标材料颗粒约 50 nm 且表面粗糙，UV-vis 中黑色粉体表现出增强可见光吸收，Rietveld 精修表明晶胞体积增大、堆积因子降低；HRTEM/FFT 与 STEM 进一步证明其并非完全非晶化，而是在长程 Wadsley-Roth 骨架中引入局域晶格不连续、位错以及非晶壳层，这为快速 Li+ 传输和界面稳定奠定基础。
图 2：该图从局域结构层面证明 Ti/Nb 部分无序。PDF 曲线峰宽增加、第一壳层 M-O 峰更不对称，说明 MO6 八面体畸变增强；Nb K-edge EXAFS 中 Nb-O 与 Nb-Ti 配位特征变化，指向 Nb 局域环境更均一且 Ti/Nb 占位偏离有序模型。球差校正 HAADF-STEM 直接显示，有序样品中 3 × 4 Wadsley-Roth 块规整排列，而无序 Ti2Nb10O29-x 出现错位、重叠和“额外”原子列，金属原子间距由 4.06/2.57 Å 增至 4.19/2.70 Å，削弱高能垒剪切面的阻隔；EELS 线扫还显示表面氧空位更富集，形成由表面低价态向体相高价态过渡的梯度缺陷结构。
图 3：该图聚焦氧空位、电子传输和孔结构。XPS 中 Ti 2p、Nb 3d 向低结合能移动，O 1s 中约 532 eV 组分增强，EPR 在 g = 2.003 处给出最强氧空位信号，说明 焦耳热冲击样品具有最高氧空位浓度。氧空位带来的低价态和缺陷能级显著提升电导率，Ti2Nb10O29-x 室温电导率达到 1.92 × 10-4 S cm-1，较有序样品提高四个数量级；同时，其 BET 比表面积为 7.56 m2 g-1，高于对照样品，并存在微孔，有助于提供更多活性位点、缩短离子扩散路径和改善电解液浸润。
图 4：该图展示电化学性能优势。Ti2Nb10O29-x 在 0.1-100 C 下分别提供 353、292、278、266、247、221、201、175 和 141 mAh g-1，150 C 下仍有 112 mAh g-1，而有序对照在超高倍率下几乎失效；高载量电极约 6 mg cm-2 仍可在 0.1 C 下输出约 320 mAh g-1。长循环方面，10 C 下 5000 圈后容量保持约 230 mAh g-1，单圈损失率约 0.006%。宽温测试显示，-20 ℃ 下容量为有序样品约 2 倍，-40 ℃ 下 100 圈后仍保持 117 mAh g-1；其低温接触角接近 0°，说明超浸润界面可降低界面阻抗并维持均匀锂化/脱锂。
图 5：该图阐明快充动力学来源。CV 中 Ti2Nb10O29-x 电流响应最高、极化电位差仅 0.13 V，并能激活 Nb4+/Nb3+ 与 Ti4+/Ti3+ 反应。不同扫速下峰形保持稳定，b 值分别为 0.75 和 0.98，表明赝电容行为占主导；在 1.0 mV s-1 下赝电容贡献高达 91%。EIS 显示其电荷转移阻抗约 80 Ω，低于 O-Ti2Nb10O29-x 和 S-Ti2Nb10O29；GITT 计算进一步显示 Li+ 扩散系数提升近一个数量级，原位 EIS 中阻抗变化很小，证明无序结构与氧空位协同构建了快速且稳定的离子/电子传输网络。
图 6：该图从电子结构、迁移势垒和循环结构演化解释性能机制。DFT 态密度显示，Ti2Nb10O29-x 的费米能级更接近导带底，利于电子传输；Li+ 扩散势垒由有序 Ti2Nb10O29 的 0.28 eV 降至含氧空位结构的 0.08 eV，并在无序结构中进一步降至 0.03 eV。XANES 与非原位 XPS 表明低价 Nb/Ti 与 Nb3+ 信号参与反应，证明无序-缺陷结构激活了传统有序结构中不充分参与的氧化还原对。原位 XRD 和原位 Raman 显示循环中峰位可逆移动、晶胞参数可逆变化，体积膨胀率约 7.5%，说明柔性无序晶格能够缓冲应力并支撑长寿命循环。
4. 总结展望
这项工作的重要性在于把“无序”从传统意义上的结构缺陷转化为可设计的动力学增益：焦耳热冲击以非平衡方式保留 Ti/Nb 局域随机排布，并与氧空位、纳米颗粒、微孔和非晶壳层共同作用，最终实现更低 Li+ 迁移势垒、更高电子电导、更强赝电容贡献和更稳定界面。对于高功率电池负极而言，该策略不仅拓展了 Ti2Nb10O29 的性能边界，也提示 Wadsley-Roth 相、铌基氧化物乃至更广泛嵌入型电极材料可通过“局域无序 + 缺陷梯度 + 快速非平衡合成”进行再设计。后续若能进一步解决规模化焦耳热冲击均匀性、高载量厚电极离子传输、全电池能量密度匹配和长期极端温度安全性问题，该类材料有望在快充储能、低温装备和高功率回收场景中获得更实际的应用空间。
