Small Structures:Na2Ti3O7纳米带和纳米线大载量阵列储钠

金属离子电容器的设计目的是兼具双电层超级电容器(如高功率、长循环)和二次电池(如高能量密度)的双重优势。通俗的讲,是想实现在高速上跑货车。初心多年不改,众里寻新材。对于钠离子电容器,因为离子半径较大,负极材料在充放电过程中反应动力学缓慢,而多孔碳正极材料具有快速充放电特性,两者出现了电极反应动力学的不匹配,制约了钠离子电容器的性能。NTO (Na2Ti3O7)被认为是高能量密度钠离子电容器比较理想的负极材料,其嵌入式反应的电位较低(0.3 V vs. Na+/Na)。然而,它的硬伤是导电性差和离子传输能垒高,都不利于高倍率。构筑纳米阵列电极是实现NTO高倍率性能的有效途径,就像每棵树扎根土地,每条河流入大江。然后,文献中大多是用NaOH直接处理钛箔得到NTO阵列, 活性物质的负载量普遍很低,0.5 mg/cm2 左右。虽然得了高倍率性能,但低载量终究前途不大。所以,我们想要的是:活性物质高负载量,电极结构稳定,高倍率储钠。

有鉴于此,中国地质大学的王欢文教授和新加坡南洋理工大学的范红金教授(共同通讯作者)开展了一项工作,实现了两件事:1)利用三维导电基底实现高负载的结构稳定的NTO阵列;2)具体比较了不同的 Small Structure 的储钠性能。他们以柔性碳纳米纤维薄膜作为基底,首先在纤维表面生长了TiO2前驱体,然后通过原位转化构筑了两种不同纳米结构(nanobelts and nanowires)的NTO高负载阵列。两种结构的合成步骤是一样的,就是最后一步用NaOH处理的时间不一样,Nanowires 长而疏松,相互缠绕。Nanobelts更加有序,与碳纤维的接触更紧密。测得的电极样品负载量(5.6 mg/cm2)也相差无几。标准CR2032 纽扣半电池测试结果表明,nanobelts电极的储钠性能优异于nanowires 电极。前者在超高倍率下的比容量保持远远高于后者,而且5000次循环未见明显的活性物质脱落,容量基本不减。动力学分析进一步证明,nanobelt结构在钠离子储存过程中表现出了更加明显的赝电容储存机理,且具有更低的电荷传递电阻,说明离子的扩散传输和他俩的横宽比有一定关系。

在此基础上,将上述合成的NTO nanobelts作为负极,自制的生物质多孔活性碳(也是涂覆在碳纤维上)作为正极,质量比1:1.5,在有机电解质中构建了混合钠离子电容器。基于活性材料计算,该装置在功率密度为236 W/kg时,能量密度为126 Wh/kg;功率密度高达38 kW/kg的情况下,对应于84 Wh/kg的能量密度。甚为可观!相关工作“Aligned Arrays of Na2Ti3O7 Nanobelts and Nanowires on Carbon Nanofiber as High-Rate and Long-Cycling Anodes for Sodium-Ion Hybrid Capacitors”发表在Small的姊妹新刊 Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000073)上。

王欢文和范红金两位教授在钠离子电容器这个课题上已经合作多年。其他发表文章可参考:https://personal.ntu.edu.sg/fanhj/pub.html