近日，beat365新能源材料與器件郭孝東副教授/鐘本和教授課題組在鈉離子電池負(fù)極材料取得重大研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果“Design and Synthesis of Layered Na2Ti3O7and Tunnel Na2Ti6O13 Hybrid Structures with Enhanced Electrochemical Behavior for Sodium-Ion Batteries”發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《Advanced Science》 (影響因子12.441)。四川大學(xué)beat3652016級(jí)博士研究生武春錦為該論文第一作者，beat365為第一單位。
由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重，眾多學(xué)者提出運(yùn)用可再生能源儲(chǔ)存技術(shù)儲(chǔ)存綠色，清潔的能源。近些年，鋰離子電池已在電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域取得重大的突破和發(fā)展。鑒于鋰資源儲(chǔ)量有限和價(jià)格攀增，以及考慮到鈉資源全球分布廣泛及價(jià)格低廉，鈉離子電池有望取代鋰離子電池，并在未來儲(chǔ)能領(lǐng)域有大規(guī)模的發(fā)展。鈦酸鈉材料具有良好的儲(chǔ)鈉活性，高循環(huán)穩(wěn)定性，低電壓平臺(tái)和成本，無毒等優(yōu)勢(shì)成為目前鈉離子電池負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)。作為鈦酸鈉材料的代表之一，層狀結(jié)構(gòu)Na2Ti3O7 材料能脫嵌2個(gè)Na，其理論比容量和電壓平臺(tái)分別為177 mAhg-1和0.3 V左右，能提供較高的能量密度。然而，該材料電導(dǎo)性較差，離子傳遞速率慢以及在脫嵌鈉過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲導(dǎo)致差的循環(huán)性能，嚴(yán)重制約了其發(fā)展和應(yīng)用。隧道結(jié)構(gòu)Na2Ti6O13材料作為鈦酸鈉材料另一代表，具有高離子電導(dǎo)性，優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和低電壓平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)，但其儲(chǔ)鈉能力較低，導(dǎo)致低的比容量。如何發(fā)揮層狀Na2Ti3O7和隧道Na2Ti6O13材料各自的優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)避免各自的缺陷，成為研究目標(biāo)。
復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅打破單一結(jié)構(gòu)的缺陷，而且提高材料的電化學(xué)性能。課題組研究者設(shè)計(jì)并提出制備層狀-隧道復(fù)合的鈦酸鈉材料，并通過調(diào)控工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)層狀與隧道比例的調(diào)控?；诓煌壤龑訝?隧道材料的電化學(xué)性能結(jié)果，選取循環(huán)和倍率性能較佳的復(fù)合鈦酸鈉材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征通過同步XRD和粉末XRD等手段得到驗(yàn)證，兩種結(jié)構(gòu)的協(xié)同機(jī)理通過電化學(xué)方法以及結(jié)合原位XRD等手段深入的探討和分析。復(fù)合結(jié)構(gòu)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)也通過GITT和非原位EIS等技術(shù)進(jìn)行研究。本工作提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和層狀-隧道協(xié)同效應(yīng)可以進(jìn)一步推廣到其他正負(fù)極材料體系研究中，為未來開發(fā)高能量密度和功率密度的鈉離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖 1. 晶體結(jié)構(gòu)示意圖: a) 層狀 Na2Ti3O7, b) 隧道Na2Ti6O13; c) 不同溫度復(fù)合結(jié)構(gòu)的XRD; d) 煅燒 850°C 復(fù)合材料同步輻射精修圖
圖 2. a) 復(fù)合材料TEM圖; b-c) 隧道結(jié)構(gòu)的SAED和HRTEM ; d-e) 層狀結(jié)構(gòu)的SAED和HRTEM
圖 3. a) 在掃描速率為 0.2 mVs-1下電極材料的CV圖; b) 在電流密度為 20mAg-1下充放電曲線; c) 在電流密度為 20mAg-1下復(fù)合材料循環(huán)性能; d) 在不同電流密度下倍率性能 e) 在電流密度為 2000mAg-1下 循環(huán)圖
圖 4. a) 低角度原位XRD和不同相的晶面：Na2T3O7 (下角標(biāo) p 和黑色); Na2Ti6O13 (下角標(biāo) c1 和橄欖色); NaTi1.25O3 (下角標(biāo) c2和粉紅色); 充放電過程中不同組分晶格參數(shù)的相關(guān)變化: b) Na2Ti6O13; c) NaTi1.25O3
圖 5. 在脫嵌鈉過程中層狀和隧道示意圖: a) 隧道Na2Ti6O13; c) 層狀Na2Ti3O7; 模擬的鈉離子傳輸路徑: b) 隧道 Na2Ti6O13; d) 層狀 Na2Ti3O7
圖 6. a) 在電流密度為0.02 mA下第一圈充電狀態(tài)下GITT; b) 在不同充電狀態(tài)下不同循環(huán)復(fù)合電極的EIS圖 (內(nèi)嵌: 等效電路圖)
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https://doi.org/10.1002/advs.201800519
新能源材料與器件課題組 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
beat365
2018年7月3日
