Adv. Mater.：首次合成Na2Ti3O7@N摻雜的碳空心球用作鈉離子電池負極材料，倍率性能優異
【引言】
由于整個電能存儲體系成本的顯著降低，鈉離子電池在儲能領域內受到了廣泛的關注。在用于鈉離子電池的眾多負極材料中，Ti基材料由于具備高活性、低成本和環境友好等特點而備受關注。Na2Ti3O7作為一類特殊的鈦基材料，考慮到Ti基材料的最低電壓，該材料被認為是具有高能量密度的理想負極材料。然而，Na2Ti3O7納米結構缺乏合理的設計，因而限制了其在鈉離子電池中的倍率性能，特別是在高電流密度下的性能表現。除結構優化外，表面工程修飾也被認為是提高Na2Ti3O7電子導電性能，從而提高電池性能的有效途徑。
【成果簡介】
近日，澳大利亞阿德萊德大學的喬世璋教授(通訊作者)課題組在Adv. Mater.上發表了一篇題為“Na2Ti3O7@N-Doped Carbon Hollow Spheres for Sodium-Ion Batteries with Excellent Rate Performance”的文章，研究人員首次成功合成了N摻雜碳包覆超薄Na2Ti3O7納米片組裝的Na2Ti3O7空心球，并將其用作鈉離子電池負極材料，進行了一系列的性能測試。空心結構提供了很大的比表面積、進入電解質的優勢通道以及更短的離子電子擴散路徑。超薄納米片顯著減少了Na2Ti3O7的層數，從而為鈉離子提供了優選的擴散路徑。超薄碳涂層增強了電導率，促進了電子傳輸。在50 C的高電流密度下，碳包覆納米片組裝的Na2Ti3O7空心球具備超過60 mAh·g-1的可逆容量，其大小是納米顆粒組裝材料可逆容量(≈26 mAh·g-1)的兩倍，是裸納米片組裝材料可逆容量(≈32 mAh·g-1)的近兩倍，證明了片狀結構和N摻雜碳包覆的優勢。
【圖文導讀】
圖1 Na2Ti3O7@C空心球的合成過程示意圖
第一步：合成高度均勻的二氧化硅球；
第二步：將均勻的無定形氫氧化鈦涂覆在二氧化硅表面上，得到氫氧化鈦涂覆的二氧化硅；
第三步：水熱條件下在氫氧化鈉水溶液中制備得到由Na2Ti3O7超薄納米片組成的空心球；
第四步：使用多巴胺在納米片的表面上形成聚多巴胺，產生聚合物涂覆的納米片；
第五步：將所制備的樣品置于管式爐中并煅燒以獲得最終產物Na2Ti3O7@C HHSs。
名詞說明：Na2Ti3O7@C HHSs為N摻雜碳包覆超薄Na2Ti3O7納米片組裝的空心球；Na2Ti3O7 HHSs為無碳包覆超薄Na2Ti3O7納米片組裝的空心球；Na2Ti3O7 HSs為無碳包覆超薄Na2Ti3O7納米顆粒組裝的空心球。
圖2 氫氧化鈦涂覆前后二氧化硅球的形貌表征
a) 二氧化硅球體的SEM圖；
b-c) Si@Ti(OH)x球體的SEM和TEM圖；
d-f) Na2Ti3O7@C HHSs的SEM、TEM、HRTEM圖。
表面光滑且直徑高度均一的SiO2在涂覆后表面變得非常粗糙，表明氫氧化鈦成功涂覆在了SiO2球體的表面上。在透射電子顯微鏡(TEM)圖像上，涂層的粗糙度和30 nm厚度清晰可見。Na2Ti3O7@C HHSs形態與用氫氧化鈉處理后的顆粒的形態幾乎相同，碳涂層超薄且高度均勻。空心結構清晰可見，殼層厚度大約為40 nm。
圖3 Na2Ti3O7@C HHSs的結構分析
a) Na2Ti3O7@C HHSs的XRD圖；
b) Na2Ti3O7@C HHSs的拉曼光譜；
c-d) Na2Ti3O7@C HHSs的XPS測量和高分辨率N1s光譜。
圖4 Na2Ti3O7@ C HHSs的電化學性能表征
a) 電流密度為1C時的第一次、第二次和第五次循環的初始放電-充電電壓分布;
b) Na2Ti3O7@C HHSs，Na2Ti3O7 HHSs和Na2Ti3O7 HSs的倍率性能測試圖；
c) 在高電流密度50 C時，Na2Ti3O7@C HHSs的循環性能測試圖；
d) 不同掃描速率下的Na2Ti3O7@C HHSs的CV曲線；
e) 不同掃描速率下，電容對總容量的貢獻圖。
【小結】
本文中，研究人員成功合成了N摻雜碳涂覆的超薄Na2Ti3O7納米片組裝的空心球納米結構，并對其作為鈉離子電池負極材料時的電化學性能進行了一系列測試，該材料表現出了優異的倍率性能。超薄納米片組裝成的獨特結構縮短了鈉離子的擴散長度，與此同時，N摻雜碳包覆又改善了材料本身的電導性能。在高電流密度下，此類Na2Ti3O7空心球表現出了優異的鈉儲存性能。本研究表明，減少納米片的層數可以有效提高這種層狀材料的電化學性能。層狀材料在電池、電催化等領域內應用廣泛，本研究為層狀材料的結構設計及其電化學應用提供了一種全新的方式。
文獻鏈接：Na2Ti3O7@N-Doped Carbon Hollow Spheres for Sodium-Ion Batteries with Excellent Rate Performance(Adv. Mater., 2017, DIO: 10.1002/adma.201700989)
本文由材料人編輯部鄧燕編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。
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