华中科技大学和郑州大学材料科学与工程学院--通过氢化和碳涂层协同增强先进的钠离子电池钛酸钠纳米线阳极的循环性能和倍率性能

层状碱金属钛酸盐材料由于其良好的安全性和低成本而被认为是钠离子电池极具吸引力的阳极。然而，实际运用时面临着低电导率和Na⁺插层和脱层过程中不可避免的体积变化等重大挑战，这通常很难通过单一的改性方法来克服。在此，开发了一种协同增强策略，通过同时氢化和碳涂层来提高Na₂Ti₂O₅纳米线阵列阳极的电化学性能。氢化导致钛部分还原；它与导电碳层一起赋予Na₂Ti₂O₅快速传输电子的性能和结构稳定性。由此产生的H-Na₂Ti₂O₅@C阳极在钠离子半电池中表现出增强的倍率能力（8.0C，165mAh·g^-1）和高达1000次的稳定循环性能（不含碳的H-Na₂Ti₂O₅的性能在仅100次循环后急剧下降）。此外，还设计了一种新型耦合全电池，采用石墨烯杂化高压Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂作为阴极，能够提供212.1Wh·kg^-1的高比能量密度（基于阳极和阴极的质量）和良好的速率和循环稳定性。这项工作可能为先进电化学储能装置的电极材料的协同优化提供灵感。

图1. a H-Na₂Ti₂O₅@C和b Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂@G的合成原理图。

 

图2. H-Na₂Ti₂O₅@C的 a光学图像，b SEM图像，c TEM图像，d HRTEM图像和e Na, Ti, O, C元素映射。

图3. A-Na₂Ti₂O₅，H-Na₂Ti₂O₅和H-Na₂Ti₂O₅@C的（a）XRD图谱，（b）XPS测量谱和（c）高分辨率Ti 2p XPS谱。

图4. （a）不同电流密度下的比容量和（b）不同水热时间下H-Na₂Ti₂O₅的充放电曲线；（c） A-Na₂Ti₂O₅和（d） H-Na₂Ti₂O₅在不同电流密度下的充放电曲线。

图5. H-Na₂Ti₂O₅和H-Na₂Ti₂O₅@C在（a）不同扫描速率下的CV曲线，（b）前5个循环的充放电曲线，（c）速率性能和（d）3.2C时的循环性能。

图6. Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂@G的（a）SEM图像和（b）元素映射，（c）扫描速率相关的CV曲线，（d） CV曲线电流峰值(I_p = av^b)得到的b-值(斜率)，（e）速率性能，（f） 1.0C时初始3个循环的典型充放电曲线，（g）循环性能。

           

图7. H-Na₂Ti₂O₅@C//Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂@G全电池的电化学性能:（a）Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂@G和H-Na₂Ti₂O₅@C半电池的CV曲线及SIB示意图(插图);（b）不同电流密度下的充放电曲线;（c）倍率性能和循环性能;（d）重力能量密度与功率密度的Ragone图。

相关研究成果由华中科技大学光学与电子信息学院YuanYuan Li和郑州大学材料科学与工程学院、低碳环保材料智能设计国际联合研究中心JinPing Liu等人于2022年发表在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。