纳米调控实现高储钠性能:碳包覆纳米多孔二氧化钛微米纤维

作为价格低廉的储能设备,钠离子电池正引起科研工作者的极大兴趣。与锂离子相比,钠离子的重量和直径更大,从而使钠离子电池的理论比容量和体积容量都比较低。最具挑战的是,钠离子的大体积,一方面会降低钠与电池材料的电化学反应活性,另一方面在循环过程中也会造成电池材料本体的巨大结构和体积变化。将电极材料纳米化并与导电材料复合成为应对这一难题的最为有效的手段,各种新颖的纳米空间结构材料因而被广泛研究。纳米化的二氧化钛负极材料具有良好的化学和热稳定性,多储钠活性位点和循环稳定性,结合二氧化钛低价,无毒,资源丰富等优点,在钠离子电池领域具有广阔的应用前景。

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二氧化钛微米纤维和纳米多孔二氧化钛-碳储钠示意图及其相应的电化学循环性能

2016年4月15日,在最新一期的Advanced Science上,北京航空航天大学和澳大利亚卧龙岗大学合作,利用简单的电纺技术,制备了具有多级纳米孔的TiO2-C复合微米纤维(NTMF-C)作为负极材料。微米纤维中的一维连续纳米孔结构及形成的薄内壁,有利于缩短离子/电子传输路径并保证较高的粒子利用率。另一方面,与碳的复合使电极材料具有更高的导电率,从而提高电子传输速率。该工作分别制备了实心结构的TiO2微米纤维(STMF)、多级纳米孔结构的TiO2微米纤维 (NTMF)和多级纳米孔结构的TiO2-C复合微米纤维(NTMF-C)来证实多级纳米孔结构和碳引入的优化作用。三种材料的储钠性能表明,具有多级纳米孔结构的TiO2-C复合微米纤维能够加速TiO2与钠的反应活性,使该负极材料实现了高容量,长循环和高倍率的性能。经过450次循环后,电池容量高达167 mAh g-1;在1 A g-1的高倍率下,容量保持在71 mAh g-1。另外,有趣的是TiO2在循环过程中经历了从无定形到金红石的相转换过程,循环过程分为初始的自提高过程和长循环的稳定过程。

总之,该研究直接证明了纳米结构调控这一策略可以有效缓和我们对材料基本内在属性的依赖性,从而显著提高和优化电极材料的储钠性能,对其他电极材料的研究具有借鉴和启发意义。