近日，郑寿添教授课题组在全无机多铌氧簇锂离子电池负极材料领域取得新进展，相关成果以“Single-Crystal-to-Single-Crystal Transformation in a ThermallyStable All-Inorganic Polyoxoniobate Framework Boosts LithiumIon Battery Anode Performance”为题发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition。

正交Nb₂O₅以其快速储能能力而闻名，在锂离子电池高倍率负极材料展示出巨大的应用潜力。尽管研究人员采用各种策略增加Nb₂O₅容量，例如掺杂、表面功能化和缺陷工程，其容量仍然在200 mAh g^-1左右，无法满足实际应用要求。因此，开发新策略以获得高容量和高倍率铌基材料对于提高电池性能至关重要。多氧铌酸盐（PONb）是一类由Nb和O原子组成的多金属氧阴离子，因其原子结构明确和超强结构稳定性（容纳大量的电子和离子而保持框架结构不变），是极具前景的锂离子电池负极材料。此外，它们的结构可调性和可修饰性允许由外部刺激驱动的单晶到单晶（SCSC）转变，为揭示原子级精准结构和容量之间的构效关系提供难得的契机。

鉴于此，本研究报道了一种新颖且罕见的全无机二维PONb框架材料，即Li₂K₅[Sb(H₂O)][GeNb₁₂O₄₀(V^VO)₂]·8H₂O（FZU-3），它以钒基封端的α-Keggin PONb，[GeNb₁₂O₄₀(V^VO)₂]（表示为GeNb₁₂V₂）为次级构筑单元，[Sb(H₂O)]³⁺为络合桥联接节点构筑而成。FZU-3在HCOOH中浸泡仅5分钟触发快速SCSC结构转变，形成全新二维PONb框架材料H_1.5LiK₂V^V_1.5[Sb(H₂O)] [GeNb₁₂O₄₀(V^IVO)_0.5]·8H₂O（FZU-3H）。其中一个半封端的{V^VO}基团解离和迁移到PONb框架的夹层中，剩余的{V^VO}帽还原为{V^IVO}。当使用这些框架材料作为锂离子电池负极时，FZU-3H相比FZU-3表现出更高的比容量和倍率容量，甚至优于大多数已报道的锂离子电池的铌基负极材料。截止目前为止，这是首例SCSC结构转变在锂离子电池负极的应用，实现增强的锂离子电池负极性能。高质量的单晶X射线衍射（SCXRD）数据提供了对增强容量行为的原子级见解。盖帽V^V离子的迁移导致结构变化，框架内的空隙空间增加，增强了容纳更多Li⁺离子的能力，有助于电容存储机制，尤其是在低压区域。理论计算进一步表明结构转变有效降低了Li⁺离子迁移能垒，加速了Li⁺离子扩散速率，增强充放电比容量和倍率性能。

福州大学化学学院孙财副教授，硕士生陈建萍，博士生武燕兰为论文共同第一作者，福州大学化学学院郑寿添教授，蔡平伟副教授，德国美因茨大学Carsten Streb教授为论文共同通讯作者，福州大学为第一通讯单位。相关研究得到国家自然科学基金项目资助。

论文信息：“Single-Crystal-to-Single-Crystal Transformation in a ThermallyStable All-Inorganic Polyoxoniobate Framework Boosts LithiumIon Battery Anode Performance”，Cai Sun, Jian-Ping Chen, Yan-Lan Wu, Yi-Ying Li, Xin-Xiong Li, Ping-Wei Cai, Carsten Streb, Shou-Tian Zheng , Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202506533.