科技資訊寫作大賽｜Nano Letters: 類“電線管”結構二氧化鈦-錫@碳纖維的高容量鋰/鈉離子電池負極

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我）受到讀者們的廣泛關注，感謝各期刊，雜志社的鼎力支持及各位材料人的積極參與！

【引言】

鋰離子電池對我們的生產生活產生了巨大影響，尤其在消費性電子產品領域，但在高容量、長壽命鋰離子電池方面仍存在較大的瓶頸——因為現有鋰離子電池負極碳材料的比容量較低（370 mA h/g）。另外，受制于鋰礦資源有限，鋰離子電池的成本和售價進一步提高的可能性巨大，所以發展資源豐富的鈉離子電池迫在眉睫。錫基負極材料由于具有很高的理論儲鋰（993 mA h/g）儲鈉容量、較低的電壓平臺和較大的壓實密度而得到廣泛的研究，是最具應用潛力的鋰/鈉離子電池負極材料之一。然而，錫基負極材料在充放電過程中巨大的體積效應易導致電極材料破碎、粉化、脫落，導致容量衰減迅速，這極大限制了其商業化應用。

【成果簡介】

最近，湖南大學張明課題組與University of Maryland的Chunsheng Wang課題組合作，在氧化錫-石墨烯柔性纖維氈負極（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 12672）的基礎上，從“電線管”結構——既能導電也具有很好的絕緣保護作用——得到啟發，設計了具有“電線管”結構的二氧化鈦-錫@碳纖維，利用靜電紡絲和原子層沉積技術制得了比容量和穩定性顯著高于傳統碳材料、未經修飾錫材料的儲鋰/鈉負極，相關成果以“Pipe-Wire TiO₂–Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries”為題發表在Nano Letters。

【圖文導讀】

圖1 復合纖維的合成和形貌

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(a) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維合成示意圖；

(b-d) 分別是錫@碳纖維、核殼二氧化鈦-錫@碳纖維、“線管”結構二氧化鈦-錫@碳纖維的掃描電鏡圖片；

(e-f) “線管”結構二氧化鈦-錫@碳纖維數碼圖片，展示其柔韌性。

圖2 復合纖維的結構表征

(a-c) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的透射電鏡圖片；

(b-d) 復合纖維中，碳、錫、鈦等元素分布圖，證實其“線管”結構。

圖3 復合纖維的組成分析“線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的XRD、TG、DTG

(a) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的XRD譜，確認二氧化鈦和錫單質的存在；

(b) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的TG、DTG曲線，確認各組分的比例。

圖4 復合纖維的XPS分析

(a) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的XPS全譜，顯示碳、錫、鈦、氧的存在；

(b-d) 分別是碳、錫、鈦元素的精細XPS譜圖。

圖5 “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的儲鋰/鈉機理分析

(a, c) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維作為鋰離子電池負極的循環伏安曲線（0.2 mV/s）和充放電曲線（100 mA/g）

(b, d) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維作為鈉離子電池負極的循環伏安曲線（0.2 mV/s）和充放電曲線（100 mA/g）

圖6 “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的儲鋰/鈉性能綜合評估

(a) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維在100 mA/g電流密度下的儲鋰性能；

(b-c) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維、核殼二氧化鈦-錫@碳纖維、錫@碳纖維、純碳纖維儲鋰/鈉性能對比；

(d) 二氧化鈦厚度分別為5 nm、10 nm、15 nm的“線管”二氧化鈦-錫@碳纖維的儲鋰比容量和穩定性；

(e) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維在不同電流密度下的儲鋰性能；

(f) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維作為鋰/鈉離子電池200次循環后的阻抗譜及相應阻抗模擬電路。

圖7 “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維高穩定性分析

(a-b) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維作為鋰離子電池負極循環200次后的掃描電鏡圖片；

(c) “線管”二氧化鈦-錫@碳纖維作為鋰離子電池負極循環200次后的高分辨率透射電鏡圖片。

【小結】

類“電線管”結構二氧化鈦-錫@碳纖維中，碳纖維將錫包覆并固定，有效避免了錫顆粒的脫落，保障電化學反應所需電子傳導速率；二氧化鈦殼層將錫與電解液隔離，為錫顆粒的膨脹提供空間，且極大程度上避免了錫顆粒因體積效應而粉碎、脫落，從而使該材料在儲鋰/鈉兼具高容量和長循環壽命等優勢。

原文鏈接：Pipe-Wire TiO₂–Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries（Nano Lett.，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01152）

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