儲能問題是能源問題的重要組成部分，日益增長的儲能需求對于傳統锂離子電池提出了更高容量，更高功率，更長穩定性以及更廉價的要求。商用負極材料目前采用理論容量為372 mA h/g的低比容量碳基材料，是限制锂離子電池性能提升的最大瓶頸。盡管研究表明，Si、Ge、Sn等單質作為負極具有很高的比容量，但是受限于多次使用後的容量快速衰減而難以實際應用。硼是除了劇毒的铍之外能與锂形成合金的最輕的元素，通過理論計算和模拟已經證明Li₅B團簇可以穩定存在，由此B的理論容量可達12395 mA h/g，是理論容量最大的锂電負極材料。但是硼基材料一直就不是锂電負極的研究熱點，因為太高的反應勢壘使得硼很難被活化，表現出來的容量極低。而對于三氧化二硼而言，雖然理論容量也達到6152 mA h/g，遠高于Si的4200 mA h/g，但是由于其電子電導率極差，幾乎沒有電化學活性。因此，雖然蘊藏巨大潛力，硼基材料通常被認為是不可能成為高性能的锂電負極材料的。

但是，“挑戰不可能”是beat365一以貫之的内在氣質。近日，beat365官方网站黃富強課題組開發了一種新型的Fe基質中嵌入B的材料，利用高導電的Fe基質激發了B的儲锂潛能，取得了優異的性能。研究者首先設計合成了Fe₂B間隙化合物，其中包含一維硼鍊結構和高導電的Fe主體網絡，該化合物表現出與純硼截然不同的電化學性質，1400次循環後基于B計算的容量可達10700 mA h/g。研究者認為高導電的Fe基質和高分散的一維硼鍊結構首先激活了部分B的儲锂潛能，并且在循環反應過程中Fe基質不斷将硼鍊分散成單原子，從而實現了更高效的儲能。然而，由于間隙化合物中B的質量含量過低，材料整體容量不符合實際需求。研究者随後通過熱力學計算發現B₂O₃與锂發生電化學反應的标準吉布斯自由能變僅為-489 kJ/mol，即發生該反應的逆反應發生僅需克服489 kJ/mol，遠小于可逆負極材料Fe₂O₃和SnO₂。因此，從熱力學上來講，B₂O₃是可以作為锂電負極材料的，其理論容量高達6152 mA h/g。通過對材料的理性設計，研究者成功合成了B₂O₃/Fe複合材料。高導電的Fe基質激發了B₂O₃的儲能潛力，并在循環過程中逐漸産生B原子分散到Fe中。這些高活性的B原子可以進一步與Li形成合金從而使得材料的容量不斷升高。該材料作為锂電負極在循環250圈之後表現出高達1500 mA h/g的容量。并且由于該材料的超高振實密度2.12 g/cm³，體積比容量更是高達3180 mA h/cm³。并且在大電流下仍然保持很高的容量水平，達到目前锂電負極研究領域領先水平（圖1）。該研究開拓了硼基锂電負極材料領域的先河，并且該研究體現出來的高分散和高導電的設計思路也為其他潛在的負極材料開發提供了一種新的途徑，同時也極具高容量锂電負極材料的産業應用價值。

圖1. 高導電B₂O₃/Fe複合材料電極作為锂離子電池負極的性能圖，儲锂反應示意圖，以及該工作與文獻中已報道的其他負極材料的性能對比圖

    該研究成果以“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”為題發表于2018年7月11日的國際頂級材料科學期刊Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.201801409），beat365官方网站研究生董武傑和趙延濤為該文的共同一作，黃富強教授為通訊作者。該項目得到國家重點研究和發展計劃，上海市科學技術委員會和中國科學院主要研究項目的支持。