Advanced Functional Materials:“固-固”异质界面诱导赝电容实现高体积比容量储钠

将风力、水力、太阳能等清洁能源转化成电能并结合高效的电能存储设备,是实现能源供给可持续发展的有效途径,为信息时代的社会发展和技术变革提供新动力。自20世纪90年代初锂离子电池商业化以来,以锂/钠离子二次电池为代表的电化学储能器件极大地助力了清洁电能的存储利用。进一步提高能量密度和倍率性能的同时延长循环寿命,是电化学储能器件的关键技术挑战。锂/钠离子二次电池充放电过程伴随着离子在电极和电解液中的迁移。其中,离子在固体电极材料中的迁移较慢,往往制约了电池的倍率性能。为了解决这一问题,研究人员通常将电极材料纳米化或制备成多孔结构,缩短离子在固体中的扩散距离,同时在电解液与电极接触的表面和近表面区域会发生赝电容储能行为,实现高效的电化学储能过程。然而,纳米多孔结构的电极材料往往具有较大的比表面积,会带来严重的界面副反应以及较低的体积比容量。

为了解决这一看似矛盾的难题,浙江大学吴浩斌研究员课题组设计合成了一种磷-二氧化钛(P-TiO2)复合钠离子电池负极材料:在具有连通介孔结构的二氧化钛微球内填充单质红磷,在制备过程中红磷和二氧化钛固-固接触区域原位形成磷酸钛三维异质界面,可作为钠离子快速传输通道。研究发现,P-TiO2无孔微米颗粒展示出赝电容储钠行为,与以往报道的多孔材料(如介孔二氧化钛)电极和电解液接触的固-液界面带来的赝电容不同,该赝电容储钠来源于磷酸钛三维异质界面的钠离子快速传导能力。基于这一新型“固-固”异质界面诱导赝电容储钠的新机制,P-TiO2无孔微米颗粒可在维持高倍率性能和长循环寿命的同时实现高体积比容量和高首次库伦效率,与商用硬碳负极材料相比体积比容量提升超过50%。该研究成果将为兼顾高倍率和高体积比容量的电极材料设计提供新思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202002019)上,赵博和刘倩倩博士为本文共同第一作者。