近日，beat365新能源材料與器件郭孝東副教授/鐘本和教授課題組在鈉離子電池負極材料取得重大研究進展，相關研究成果“Design and Synthesis of Layered Na2Ti3O7and Tunnel Na2Ti6O13 Hybrid Structures with Enhanced Electrochemical Behavior for Sodium-Ion Batteries”發(fā)表于國際頂級期刊《Advanced Science》 (影響因子12.441)。四川大學beat3652016級博士研究生武春錦為該論文第一作者，beat365為第一單位。
由于環(huán)境污染日益嚴重，眾多學者提出運用可再生能源儲存技術儲存綠色，清潔的能源。近些年，鋰離子電池已在電子設備、電動汽車等領域取得重大的突破和發(fā)展。鑒于鋰資源儲量有限和價格攀增，以及考慮到鈉資源全球分布廣泛及價格低廉，鈉離子電池有望取代鋰離子電池，并在未來儲能領域有大規(guī)模的發(fā)展。鈦酸鈉材料具有良好的儲鈉活性，高循環(huán)穩(wěn)定性，低電壓平臺和成本，無毒等優(yōu)勢成為目前鈉離子電池負極材料的研究熱點。作為鈦酸鈉材料的代表之一，層狀結構Na2Ti3O7 材料能脫嵌2個Na，其理論比容量和電壓平臺分別為177 mAhg-1和0.3 V左右，能提供較高的能量密度。然而，該材料電導性較差，離子傳遞速率慢以及在脫嵌鈉過程中結構發(fā)生扭曲導致差的循環(huán)性能，嚴重制約了其發(fā)展和應用。隧道結構Na2Ti6O13材料作為鈦酸鈉材料另一代表，具有高離子電導性，優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和低電壓平臺等優(yōu)點，但其儲鈉能力較低，導致低的比容量。如何發(fā)揮層狀Na2Ti3O7和隧道Na2Ti6O13材料各自的優(yōu)點，并同時避免各自的缺陷，成為研究目標。
復合結構不僅打破單一結構的缺陷，而且提高材料的電化學性能。課題組研究者設計并提出制備層狀-隧道復合的鈦酸鈉材料，并通過調控工藝參數，實現層狀與隧道比例的調控?；诓煌壤龑訝?隧道材料的電化學性能結果，選取循環(huán)和倍率性能較佳的復合鈦酸鈉材料。復合材料結構特征通過同步XRD和粉末XRD等手段得到驗證，兩種結構的協同機理通過電化學方法以及結合原位XRD等手段深入的探討和分析。復合結構的反應動力學也通過GITT和非原位EIS等技術進行研究。本工作提出結構設計策略和層狀-隧道協同效應可以進一步推廣到其他正負極材料體系研究中，為未來開發(fā)高能量密度和功率密度的鈉離子電池負極材料的應用和發(fā)展奠定了基礎。
圖 1. 晶體結構示意圖: a) 層狀 Na2Ti3O7, b) 隧道Na2Ti6O13; c) 不同溫度復合結構的XRD; d) 煅燒 850°C 復合材料同步輻射精修圖
圖 2. a) 復合材料TEM圖; b-c) 隧道結構的SAED和HRTEM ; d-e) 層狀結構的SAED和HRTEM
圖 3. a) 在掃描速率為 0.2 mVs-1下電極材料的CV圖; b) 在電流密度為 20mAg-1下充放電曲線; c) 在電流密度為 20mAg-1下復合材料循環(huán)性能; d) 在不同電流密度下倍率性能 e) 在電流密度為 2000mAg-1下 循環(huán)圖
圖 4. a) 低角度原位XRD和不同相的晶面：Na2T3O7 (下角標 p 和黑色); Na2Ti6O13 (下角標 c1 和橄欖色); NaTi1.25O3 (下角標 c2和粉紅色); 充放電過程中不同組分晶格參數的相關變化: b) Na2Ti6O13; c) NaTi1.25O3
圖 5. 在脫嵌鈉過程中層狀和隧道示意圖: a) 隧道Na2Ti6O13; c) 層狀Na2Ti3O7; 模擬的鈉離子傳輸路徑: b) 隧道 Na2Ti6O13; d) 層狀 Na2Ti3O7
圖 6. a) 在電流密度為0.02 mA下第一圈充電狀態(tài)下GITT; b) 在不同充電狀態(tài)下不同循環(huán)復合電極的EIS圖 (內嵌: 等效電路圖)
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https://doi.org/10.1002/advs.201800519
新能源材料與器件課題組 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
beat365
2018年7月3日
