1. 首页
  2. 钠离子型

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极

由于钠资源丰富,价格低廉,且钠与锂为同主族元素,它们具有相似的物理化学性质,因此钠离子电池受到了研究者的广泛关注,有望在规模储能领域成为替代锂离子电池的新型电池体系。高性能电极材料是目前制约钠离子电池发展的关键。二氧化钛作为典型的脱嵌型钠离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(335 mAh/g)和安全的嵌钠电位(~0.7V ),已吸引了广泛的研究。然而,TiO2缓慢的Na+扩散以及较低的本征导电性极大地限制了其可逆比容量及倍率性能。研究表明,通过将材料纳米化以及特殊形貌调控能显著缩短钠离子的扩散路径。同时,可以通过碳包覆改善二氧化钛的导电性,从而提高材料的电化学性能。

鉴于此,中南大学化学化工学院王海燕教授与阿贡国家实验室的K. Amine教授课题组和香港科技大学邵敏华教授课题组合作设计了一步溶剂热反应,通过不同溶剂与不同反应时间的调控分别获得了纳米颗粒纳米棒、多级核壳纳米管及多级空心纳米管等不同纳米结构的TiO2材料。并通过表面吸附溶剂的碳化得到了均匀包裹的原位碳层。相较其他形貌,多级核壳纳米管结构的TiO2材料(TiO2/C HRTs)显示了非常优异的储钠性能。此成果发表在国际知名期刊Nano Energy上(影响因子:12.26)。

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极图1. (a) TiO2/C NPs, (b) TiO2/CNRs, (c) TiO2/C HRTs的SEM 图。(d-e) TiO2/C HRTs的TEM图。(f-g) TiO2/C HRTs的HRTEM图。(h-k) TiO2/C HRTs的元素分布图。

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极

图2. 合成TiO2/C HRTs过程中不同反应时间的中间产物的SEM图和TEM图。(a-d) 1 h, (e-h) 6 h, (i-l) 24 h 和 (m-p) 36 h。

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极

图3. TiO2/C HRTs的形貌形成示意图。

研究发现,该多级核壳纳米管结构的形成过程遵从奥斯特瓦尔德熟化机理。作为钠离子电池负极,TiO2/C HRTs在50 mA/g电流密度下具有277.5 mAh/g的可逆比容量。在5000 mA/g大电流密度下循环了14000圈容量无明显衰减,在大电流密度下显示了优异的长循环稳定性能。在50,100,200,500,1000,2000,5000和10000 mA/g电流密度下,分别具有277.5,249.8, 225.6, 210.3, 191.9, 168.6, 141 和 125.2 mAh/g的可逆比容量,体现了优异的倍率性能。作者通过不同扫速的CV测试进一步研究了该材料的储钠机理。分析发现,TiO2/C HRTs在大电流下占主导地位的电容行为有助于提高材料的倍率性能。同时作者采用原位XRD对目标材料的储钠机制进行了深入分析。

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极

图4. (a)不同形貌材料在50 mA/g电流密度下的循环性能图。(b) 不同形貌材料的倍率性能图。(c) TiO2/CHRTs在不同倍率下的充放电曲线图。(d) TiO2/CHRTs与已报道的二氧化钛材料的倍率性能对比图。(e) TiO2/CHRTs在5000 mA/g电流密度下的长循环性能图。

结构优化的多级核壳纳米管状TiO2材料用于高性能钠离子电池负极

图5. TiO2/C HRTs在不同扫速下的循环伏安曲线。(a) 0.2 mV/s, (b) 0.4 到4.0 mV/s, (c) 6.0 到100.0 mV/s。(d)峰电流的对数相对扫速的对数图。

相关分析证实,TiO2/C HRTs具有优异的电化学储钠性能主要得益于:(1)相比纳米颗粒与纳米棒状的材料,该特殊的多级核壳纳米管结构具有非常高的比表面积以及丰富的孔隙,能增大材料与电解液的浸润,显著缩短钠离子的扩散路径,同时大大增强了材料的电容储钠行为;(2)原位形成的碳层非常均匀,厚度很薄,有利于改善材料的导电性,提高材料的电极界面性能。

材料制备过程:

1.0 g TiOSO4 加入到60 ml丙三醇,乙醇和乙醚混合溶液中(体积比为1:2:1)。持续搅拌0.5 h, 再将溶液倒入100 ml反应釜,在120°C反应24 h。得到的产物进行离心分离,用乙醇和去离子水充分洗净表面的溶剂,然后置于80 °C 真空干燥箱中烘12 h。将得到的材料研磨成粉末,至于管式炉中700 °C Ar/H2气氛下煅烧2h,升温速率为5 °C/min,得到特殊核壳纳米管多级结构的二氧化钛材料TiO2/C HRTs。使用上述方法,将溶剂换成乙醇和乙醚的混合溶液得到了二氧化钛纳米棒 (TiO2/CNRs),将溶剂换成乙醇得到了二氧化钛纳米颗粒(TiO2/C NPs)。为了研究该特殊核壳纳米管多级结构的形成机理,作者对合成TiO2/C HRTs过程中不同反应时间的中间产物(1 h, 6 h, 24 h 和 36 h)的形貌以及电化学性能进行了系统的对比研究。 

参考文献:

Hanna He, Qingmeng Gan, Haiyan Wang*, Guiliang Xu, Dan Huang, Fang Fu, Yougen Tang, Khalil Amine*, Minhua Shao*, Structure-dependent performance of TiO2/C as anode material for Na-ion batteries. Nano Energy, 2017, doi.org/10.1016 /j.nanoen.2017.11.077.

 

本文由能源学人编辑wwl发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/8991.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@energist..vip

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code