鈉離子電池（SIB）是一種很有前景的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，因?yàn)樗c鋰離子電池相比具有出色的成本優(yōu)勢(shì)。然而，缺乏高安全性、低成本、長(zhǎng)壽命的負(fù)極材料阻礙了其實(shí)際發(fā)展。

北京航天航天大學(xué)李典森等報(bào)道了一種含有氧空位（OVs）的鈦酸鈉/二氧化鈦/C（C-NTC）異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于SIB的負(fù)極。

圖1. C-NTO和C-NTC微球的合成路線示意圖

具體而言，作者通過鈦酸鹽的原位拓?fù)滢D(zhuǎn)換過程制備了具有豐富氧空位的銳鈦礦/鈦酸鹽異質(zhì)結(jié)構(gòu)（C-NTC）。與以往的文獻(xiàn)報(bào)道不同，這里選擇了tris buffer緩沖液和鹽酸多巴胺（PDA）作為離子交換介體，而不是硝酸溶液。其優(yōu)點(diǎn)是PDA可以原位涂覆在生成的鈦酸鹽表面，在最后的高溫處理過程中可以同時(shí)形成TiO₂和NC（氮摻雜碳），并且這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是安全、綠色、無(wú)毒的。TiO₂和NC之間的相互作用以及TiO₂和Na₂Ti₂O₅（NTO）之間的界面接觸確保了有效的離子/電子傳輸。此外，熱解過程中鈦酸鹽和二氧化鈦之間的原位相變將產(chǎn)生可控的二氧化鈦/鈦酸鹽異質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，精確構(gòu)建的銳鈦礦/鈦酸鈉異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉能力、倍率性能和超長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

圖2. 電化學(xué)測(cè)試和儲(chǔ)鈉機(jī)制

研究顯示，C-NTC電極在5 A g^-1下經(jīng)過35000次循環(huán)后可提供92.6 mAh g^-1的高比容量（100%容量保持），并在與Na-金屬負(fù)極結(jié)合測(cè)試時(shí)在20 A g^-1下提供了54 mAh g^-1的優(yōu)異倍率性能。此外，以C-NTC為負(fù)極、Na₃V₂(PO₄)₃@C-BN為正極組裝的SIB全電池也表現(xiàn)出高達(dá)5500次的使用壽命。

電化學(xué)動(dòng)力學(xué)測(cè)試和密度泛函理論測(cè)量證實(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)和OVs的協(xié)同效應(yīng)加速了離子/電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)和固體電解質(zhì)界面層確保了長(zhǎng)循環(huán)壽命。此外，原位X射線光子光譜顯示，通過歧化反應(yīng)產(chǎn)生的Ti⁰可能是導(dǎo)致鈦基氧化物性能下降的原因，這為設(shè)計(jì)具有超長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈦基電極提供了獨(dú)特的見解和指導(dǎo)。

圖3. 儲(chǔ)鈉動(dòng)力學(xué)分析

Interface and Defect Engineered Titanium-Base Oxide Heterostructures Synchronizing High-Rate and Ultrastable Sodium Storage. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201531