Advanced Materials:空腔与壳层可调控的TiO2微球用于提升振实密度与赝电容钠离子存储

在二次电池负极的研究当中,具有空心和纳米片结构的金属氧化物/硫化物电极材料不但能够缩短离子的传输路径,提供更多的活性存储位点,还可以缓冲电极材料在充放电过程中产生的体积膨胀,进而改善电池的循环稳定性与倍率性能。但是,这一类材料往往具有较大的空隙结构,会降低电极材料整体的振实密度,从而影响到电池的体积能量密度。因此,针对空心结构,一些研究人员通过制备出具有多壳层、非对称微纳结构的材料,来缓解这一问题。但是如何减少纳米片结构产生的无用体积浪费,目前还很少有相关的报道。

另一方面,从电极材料的反应原理来看,以合金-去合金过程与氧化还原反应进行离子存储的材料会产生较大的体积变化,因此“预留足够的应力缓冲空间”就显得十分必要。但是以TiO2为代表的嵌入型离子存储材料,其充放电过程中产生的体积变化本身很小(TiO2在锂离子嵌入-脱嵌过程中的体积变化小于4%)。所以在这一类材料的设计过程中,我们就只需要考虑到“优化传输路径”与“提供活性位点”,并且尽可能降低“预留缓冲空间”这一结构特征的不利影响。

针对上述问题,西北工业大学黄维院士、南洋理工大学于霆教授、南洋理工大学&香港城市大学张华教授课题组,在国际材料学顶级期刊 Advanced Materials上发表了题为“Heterostructured TiO2 Spheres with Tunable Interiors and Shells toward Improved Packing Density and Pseudocapacitive Sodium Storage”的论文(DOI:10.1002/adma.201904589),第一作者是许鑫博士与陈博博士。该工作以TiO2作为钠离子电池负极的研究对象,通过对反应条件的控制,得到了三种具有代表性的TiO2微球(实心微球TiO2-S,具有较大纳米片壳层的yolk-shell微球TiO2-YB,具有较小纳米片壳层的空心微球TiO2-HS)。由于纳米片尺寸的缩减,相比较于TiO2-YB,相同质量的TiO2-HS具有更高的振实密度。此外,由于合理的结构设计,TiO2-HS具有更好的倍率性能与循环稳定性,这一实验结果也通过详细的动力学分析与密度泛函理论(DFT)计算加以证实。