近日，化學(xué)與化工學(xué)院錢(qián)逸泰院士團(tuán)隊(duì)楊劍教授課題組在高性能鋰/鈉離子二次電池電極材料的研究方面獲得重要進(jìn)展。論文以“Double-Walled Sb@TiO2?x Nanotubes as a Superior High-Rate and Ultralong-Lifespan Anode Material for Na-Ion and Li-Ion Batteries”為題，在線發(fā)表于材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201505918，IF=17.493）。
隨著人們對(duì)能源需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，目前商用鋰離子電池的功率和能量密度無(wú)法滿足電動(dòng)汽車對(duì)大功率高能量密度的需求，因此需要探尋高比容量的電極材料。同時(shí)鋰資源地殼含量低且分布嚴(yán)重不均，也是鋰離子電池未來(lái)發(fā)展的壁壘之一。鈉在地殼的豐度遠(yuǎn)高于鋰，并且和鋰具有相似的物化性質(zhì)，其能量和功率密度都可以相媲美于鋰離子電池，尤其更適合應(yīng)用于大型儲(chǔ)能裝置。但是目前鈉離子電池的研究還處于初步階段，因此通過(guò)改性電解液，探尋高比容量電極材料，可以進(jìn)一步完善其電化學(xué)性能。鋰\鈉離子電池中，合金機(jī)制的負(fù)極材料具有較高的理論比容量，但是在鋰\鈉離子脫嵌過(guò)程中，面臨體積膨脹效應(yīng)（100% ~ 300%），導(dǎo)致電極材料表面生成的固體電解質(zhì)膜不能穩(wěn)定存在，循環(huán)穩(wěn)定性變差。
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，楊劍教授課題組前期的研究工作表明，具有氧空位缺陷的二氧化鈦包覆層是一種優(yōu)異的界面包覆材料，在鋰\鈉離子脫嵌過(guò)程中體積變化小，熱穩(wěn)定性良好，安全性高。2013級(jí)博士生王娜娜在楊劍教授的指導(dǎo)下，通過(guò)水熱合成-低溫煅燒還原的制備過(guò)程，合成出了含有氧空位缺陷的二氧化鈦包覆金屬銻納米顆粒的雙層納米管。這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)結(jié)合了二氧化鈦包覆層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和金屬銻的高比容量，管狀結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)電解液和電極材料的接觸面積，在鋰/鈉離子電池中都展現(xiàn)了非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。在鈉電池的倍率性能中，13.2 A g-1的電流密度下可逆容量依然有312 mAh g-1；2.64 A g-1的電流密度下循環(huán)1000圈，可逆容量為~ 300 mAh g-1。與其他鈉離子電池負(fù)極材料相比，亦位于前列。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步成功地組裝了鋰離子和鈉離子全電池，表明這種材料的實(shí)際應(yīng)用潛力。鋰離子全電池在3.77 kW kg-1的功率密度下，能量密度仍然保持了262 Wh kg-1。鈉離子全電池在21 W kg-1下保持了~151 Wh kg-1。該工作為發(fā)展鋰\鈉離子電池的高比容量電極材料提供了一種新的思路。
近年來(lái)，楊劍教授課題組在新能源儲(chǔ)能材料的氧缺陷應(yīng)用方面取得了一系列成果，包括氧缺陷釩酸鋰在鋰離子電池的應(yīng)用（Adv. Sci., 2015, 2, 1500090，Highlighted by Materialsview china.com），氧缺陷二氧化鈦包覆錳基材料在鋰離子電池的應(yīng)用（ACS Appl. Interface Mater., 2015, 7, 10348），等等。上述研究得到了國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃，國(guó)家重大儀器研制專項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，山東省泰山學(xué)者支持計(jì)劃，山東省杰出青年基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201505918/full
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