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華中科技大學(xué)和鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、低碳環(huán)保材料智能設(shè)計國際聯(lián)合研究中心--通過氫化和碳涂層協(xié)同增強(qiáng)先進(jìn)的鈉離子電池鈦酸鈉納米線陽極的循環(huán)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(rèn)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(dǎo)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(zhàn),這通常很難通過單一的改性方法來克服。在此,開發(fā)了一種協(xié)同增強(qiáng)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(xué)性能。氫化導(dǎo)致鈦部分還原;它與導(dǎo)電碳層一起賦予Na2Ti2O5快速傳輸電子的性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由此產(chǎn)生的H-Na2Ti2O5@C陽極在鈉離子半電池中表現(xiàn)出增強(qiáng)的倍率能力(8.0C,165mAh·g-1)和高達(dá)1000次的穩(wěn)定循環(huán)性能(不含碳的H-Na2Ti2O5的性能在僅100次循環(huán)后急劇下降)。此外,還設(shè)計了一種新型耦合全電池,采用石墨烯雜化高壓Na3(VO0.5)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(zhì)量)和良好的速率和循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作可能為先進(jìn)電化學(xué)儲能裝置的電極材料的協(xié)同優(yōu)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(xué)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(huán)的充放電曲線,(c)速率性能和(d)3.2C時的循環(huán)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(guān)的CV曲線,(d) CV曲線電流峰值(Ip = avb)得到的b-值(斜率),(e)速率性能,(f) 1.0C時初始3個循環(huán)的典型充放電曲線,(g)循環(huán)性能。
      圖7. H-Na2Ti2O5@C//Na3(VO0.5)2(PO4)2F2@G全電池的電化學(xué)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(huán)性能;(d)重力能量密度與功率密度的Ragone圖。

       相關(guān)研究成果由華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院YuanYuan Li和鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、低碳環(huán)保材料智能設(shè)計國際聯(lián)合研究中心JinPing Liu等人于2022年發(fā)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。

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