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三斜相Na2Ti3O7——钠离子电池负极的新选择
发布时间：2020-08-28     作者：Giruy   分享到：
自1989年以来，石墨由于其低且稳定的锂嵌入电位（0.01-0.2 V），和高的理论比容量，迅速占领锂离子电池负极材料的主要市场。钠离子电池与锂离子电池具有相似存储机制，并且具有丰富的资源储量和低廉的成本，被认为是有希望的下一代电化学储能技术，特别是在对低成本和长循环寿命有要求的大型储能电站等领域。然而，在钠离子电池中，可媲美锂离子电池中石墨的低电压负极材料寥寥无几。钛基负极材料由于其丰富的晶体结构、Ti3+/ Ti4+合适的氧化还原电对和低成本等优势引起了广泛的研究。然而，与碳负极的超低电压相比，大多数钛基负极的嵌入电压平台通常在0.5〜1.0 V。Na2Ti3O7充当钠亚铁离子微型蓄电池钛基负极资料中的是一个特别资料，其电极电势差服务平台为0.3 V，是大多数消息钛基负极资料里电极电势差**的资料，远达不到较为常见Na0.66Li0.22Ti0.78O2的0.75V，NaTiO2的0.9 V, Li4Ti5O12的2.1 V一系列，这也压低了解的某个钠正离子动力动力电池负极侯选人建筑材料，这类磷，锑，铋的铝合金等，以至于自动匹配合适的的正极制做成的全动力动力电池，理论研究上带有望的读取越来越高的工做的读取相电压。但，近些年论文资料现在已经了解的Na2Ti3O7的原材料广为单斜相组成，在重复系统优速常会感受必须逆的组成变动，数量随重复系统高速 衰减，制约了其广应用软件。



华中科技大学材料科学与工程学院李会巧教授及其研究团队通过改变合成温度发现了Na2Ti3O7的另外个新相结构的，其在坚持低直流电压强势下，无机化学工业能力清晰的不断提升。其他于既往有关报道的单斜晶系设计，这些 研究探讨看见Na2Ti3O7的另一个新相结构属于三斜晶系。相比单斜相Na2Ti3O7，三斜相的Na2Ti3O7化合物通过温度生长动力学诱导TiO6八面体有形变形变，会存在“胖矮型”的TiO6八面体，使得层间的Na+传输通道呈现更规则的结构排列。在单斜相Na2Ti3O7中，Na+传输通道的层间间隙最窄处为5.96 Å，最宽处为 6.72 Å，考虑整体排列不够规则，Na+在层间传输不够通畅，这种层间间隙较大的变化可能会引起 Na1 位点层间相互作用力的减弱。而在三斜相Na2Ti3O7中，Na+传输通道的层间间隙最窄处为 6.01 Å ，最宽处为6.47 Å，在 6.01-6.47 Å 较窄的区间内浮动，表现更加通畅的Na+传输通道，有助于 Na+在层间较为稳定地传输。实验结果表明，相比单斜Na2Ti3O7，三斜相Na2Ti3O7在保持0.3V低电位平台的同时其结构可逆性更好。经过20圈的循环后，三斜相Na2Ti3O7提供了94.7％的容量保持率，远远超过单斜Na2Ti3O7的25.7％。原位X射线衍射表明，常规单斜Na2Ti3O7在Na+的插入/脱嵌过程中经历不可逆相变，而新的三斜相Na2Ti3O7在一个完整的循环后结构能可逆地恢复，这与其改善的循环性能较好的符合。得益于三斜相Na2Ti3O7低的嵌钠电位和良好的结构可逆性，其有望成为高比能钠离子电池负极材料的新选择。
此项研究为Na2Ti3O7的晶体结构和电化学性能特点提供了新的认识，也为钠离子电池钛基负极材料的开发和设计提供了新的思路。相关成果以“A New Triclinic Phase Na2Ti3O7 Anode for Sodium-ion Battery”为题再线撤稿在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202003733)上。