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華中科技大學和鄭州大學材料科學與工程學院、低碳環保材料智能設計國際聯合研究中心--通過氫化和碳涂層協同增強先進的鈉離子電池鈦酸鈉納米線陽極的循環性能和倍率性能

層狀堿金屬鈦酸鹽材料由于其良好的安全性和低成本而被認為是鈉離子電池極具吸引力的陽極。然而，實際運用時面臨著低電導率和Na⁺插層和脫層過程中不可避免的體積變化等重大挑戰，這通常很難通過單一的改性方法來克服。在此，開發了一種協同增強策略，通過同時氫化和碳涂層來提高Na₂Ti₂O₅納米線陣列陽極的電化學性能。氫化導致鈦部分還原；它與導電碳層一起賦予Na₂Ti₂O₅快速傳輸電子的性能和結構穩定性。由此產生的H-Na₂Ti₂O₅@C陽極在鈉離子半電池中表現出增強的倍率能力（8.0C，165mAh·g^-1）和高達1000次的穩定循環性能（不含碳的H-Na₂Ti₂O₅的性能在僅100次循環后急劇下降）。此外，還設計了一種新型耦合全電池，采用石墨烯雜化高壓Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂作為陰極，能夠提供212.1Wh·kg^-1的高比能量密度（基于陽極和陰極的質量）和良好的速率和循環穩定性。這項工作可能為先進電化學儲能裝置的電極材料的協同優化提供靈感。

圖1. a H-Na₂Ti₂O₅@C和b Na₃(VO₀_.5)₂(PO₄)₂F₂@G的合成原理圖。

圖2. H-Na₂Ti₂O₅@C的 a光學圖像，b SEM圖像，c TEM圖像，d HRTEM圖像和e Na, Ti, O, C元素映射。

圖3. A-Na₂Ti₂O₅，H-Na₂Ti₂O₅和H-Na₂Ti₂O₅@C的（a）XRD圖譜，（b）XPS測量譜和（c）高分辨率Ti 2p XPS譜。

圖4. （a）不同電流密度下的比容量和（b）不同水熱時間下H-Na₂Ti₂O₅的充放電曲線；（c） A-Na₂Ti₂O₅和（d） H-Na₂Ti₂O₅在不同電流密度下的充放電曲線。

圖5. H-Na₂Ti₂O₅和H-Na₂Ti₂O₅@C在（a）不同掃描速率下的CV曲線，（b）前5個循環的充放電曲線，（c）速率性能和（d）3.2C時的循環性能。

圖6. Na₃(VO₀_.5)₂(PO₄)₂F₂@G的（a）SEM圖像和（b）元素映射，（c）掃描速率相關的CV曲線，（d） CV曲線電流峰值(I_p = av^b)得到的b-值(斜率)，（e）速率性能，（f） 1.0C時初始3個循環的典型充放電曲線，（g）循環性能。

圖7. H-Na₂Ti₂O₅@C//Na₃(VO₀_.5)₂(PO₄)₂F₂@G全電池的電化學性能:（a）Na₃(VO₀_.5)₂(PO₄)₂F₂@G和H-Na₂Ti₂O₅@C半電池的CV曲線及SIB示意圖(插圖);（b）不同電流密度下的充放電曲線;（c）倍率性能和循環性能;（d）重力能量密度與功率密度的Ragone圖。

相關研究成果由華中科技大學光學與電子信息學院YuanYuan Li和鄭州大學材料科學與工程學院、低碳環保材料智能設計國際聯合研究中心JinPing Liu等人于2022年發表在RARE METALS (https://doi.org/10.1007/s12598-022-02082-2)上。原文：Synergistically enhancing cycleability and rate performance of sodium titanate nanowire anode via hydrogenation and carbon coating for advanced sodium ion batteries。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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