寻找用于钠离子电池的热稳定锐钛矿

来自青岛大学的研究人员合成了高性能的二氧化钛基负极材料，该材料具有出色的循环稳定性，可用于钠离子储存。来源： 青岛大学

由可再生能源而不是有限的化石燃料驱动的电动汽车是最好的绿色选择，但它们可能更具可持续性。作为电动汽车和便携式电子产品中最常见的电源，锂离子电池依靠昂贵而稀缺的金属来工作。为了刺激对更丰富、更便宜的镁替代品进行更多研究，中国的研究人员评估了这项研究的现状，并为实现更可持续的电池提供了潜在的前进道路。

他们于10月6日在《能源材料进展》上发表了他们的工作。

“开发具有成本效益和高性能的电池是有利于公众的，”论文作者，青岛大学材料科学与工程学院能源与环境材料研究所教授修松昭说。“随着新能源汽车的快速推广，对锂离子电池的需求不断增加，然而，地球上锂的资源稀缺，开发和探索可以替代锂离子电池的新储能技术具有重要的现实意义。

Lin解释说，用于大规模储能应用的钠离子电池吸引了越来越多的关注，这将是替代锂离子电池的有力候选者。

“钠在地壳中的含量比锂高得多，使其更适合大规模电化学储能。钠离子半电池的电位比锂离子电池高0.3 V，导致电解质的选择范围更广。而铝集热器可以用于阳极，这将再次降低成本。然而，钠离子的半径比锂离子更大，摩尔重量更重，导致对电极材料的要求根本不同。因此，开发高性能负极材料是实现钠离子电池技术的关键之一，“赵说。

“二氧化钛是一种很有前途的钠离子电池负极材料，因为它无毒，低成本，并且自然界中钛含量丰富。锐钛矿因其特殊的TiO堆叠而在储存钠离子方面更具导电性6具有二维通道的八面体，用于Na运输。+

然而，一些障碍阻碍了锐钛矿的研究进展。根据Zhao的说法，锐钛矿的主要挑战包括电子电导率差和离子扩散，这显着限制了速率能力和长期循环性能。较差的倍率能力限制了在大功率电子设备中的应用，而较差的循环性能显着阻碍了钠离子电池的实际实现。

为了克服这些挑战，赵说，许多研究集中在涂层导电材料，纳米结构和构建多孔结构上。Zhao和他的团队展示了一种溶胶凝胶方法来合成一种覆盖着碳的海绵状、热稳定的锐钛矿。特殊结构为电解质离子传输创造了通道，并增加了电荷储存的界面面积。

当在半个电池中测试合成的锐钛矿时，研究人员发现电池表现出228 mAh g的可逆比容量。-1电流密度为 0.05 A g 时-1在 1 A g 下循环 2，000 次后保持 100% 的容量保持率-1.原位X射线衍射和拉曼光谱结果揭示了锐钛矿在充电/放电过程中的几乎为零的应变特征。

原位透射电子显微镜、异位X射线光电子能谱和扫描电子显微镜结果表明，形成钠化TiO的不可逆的溶体化活化过程2初始放电过程中的阶段。以锐钛矿为阳极和Na组装的完整纽扣电池3V2（邮政信）4)3因为阴极的能量密度为220 Wh kg-1.

“这项工作制备了具有特殊结构的锐钛矿，以改善电子电导率和离子扩散动力学，从而为钠离子储存带来良好的速率性能和出色的循环稳定性，”赵说。“原位和非原位表征揭示了钠储存机制，表明在初始溶出过程中发生钠活化过程，导致初始库伦效率低。这项工作为合成高性能二氧化钛基负极材料提供了一种方法，并为研究锐钛矿的储存机理提供了思路。