高倍率、超长循环寿命的钠离子电池电极材料:金红石相TiO2和碳层协同包覆的NaTi2(PO4)3纳米立方体

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由于锂资源在全球范围内逐渐枯竭,下一代便携电子设备将可能采用元素廉价、无毒且储量丰富的钠离子电池供电,因此钠离子电池近年来逐渐成为了研究热点。各种各样的电极材料为钠离子电池的应用提供了多种选择,然而,由于钠离子具有比锂离子更大的离子半径,钠离子电池的电极材料通常难以满足高倍率应用下长循环寿命的需要。NASICON型材料,例如NaTi2(PO4)3,其特有的三维骨架结构,有利于钠离子在材料内部稳定地迁移和脱出,因而该材料具有较高的比容量和稳定的放电电压平台。但是,由于NaTi2(PO4)3材料的电子导电性比较差,严重制约着其高倍率循环性能。

北京航空航天大学的王华副教授,郭林教授及其研究团队针对这一问题进行了深入研究,设计了金红石相TiO2和碳层协同包覆NaTi2(PO4)3纳米立方体的电极材料,显著的提高了材料的循环寿命和倍率性能。0.5 C的充放电电流下,该材料的比容量可达到110 mAh/g,100次充放电循环后材料的比容量基本没有衰减。难能可贵的是,该材料在10 C倍率的测试下,循环10000次后仍能保持其初始容量的89.3%,该性能是目前报道的关于钠离子电池超快循环性能最好的结果之一。材料优异的电化学性能来源于其独特的微观结构,一:具有规则形貌的NaTi2(PO4)3立方体结构,其表面特殊的原子排布对材料的电化学性能起到了积极作用;二:金红石相是TiO2中最稳定的晶型,材料表面上厚度约2 nm的TiO2层降低了材料在电解液中的溶解,对生成的SEI膜可起到稳定的作用,从而提高了材料的循环稳定性;三:最外面的碳层提供了电子导电网络结构,可提高钠离子的迁移速率,有助于提升材料的倍率性能。金红石相TiO2和碳层两者的协同作用赋予了材料高倍率下长循环寿命,相关结果发表在Small上。(DOI: 10.1002/smll.201500144.)

该材料表现出的长循环寿命和快速充放电性能有望应用于新型钠离子电池中。而且,这种双层协同包覆设计方案不但具有方有效、简洁等特点,而且可以作为一种的普适方法,拓展至其他电极材料的电化学性能改善,有望促进高性能二次电池的发展。