北航李典森AEM：超稳定钠电负极，循环3.5万圈容量保持100%！

钠离子电池（SIB）是一种很有前景的大规模电化学储能系统，因为它与锂离子电池相比具有出色的成本优势。然而，缺乏高安全性、低成本、长寿命的负极材料阻碍了其实际发展。

北京航天航天大学李典森等报道了一种含有氧空位（OVs）的钛酸钠/二氧化钛/C（C-NTC）异质结构复合材料，并将其应用于SIB的负极。

图1. C-NTO和C-NTC微球的合成路线示意图

具体而言，作者通过钛酸盐的原位拓扑转换过程制备了具有丰富氧空位的锐钛矿/钛酸盐异质结构（C-NTC）。与以往的文献报道不同，这里选择了tris buffer缓冲液和盐酸多巴胺（PDA）作为离子交换介体，而不是硝酸溶液。其优点是PDA可以原位涂覆在生成的钛酸盐表面，在最后的高温处理过程中可以同时形成TiO₂和NC（氮掺杂碳），并且这个实验过程是安全、绿色、无毒的。TiO₂和NC之间的相互作用以及TiO₂和Na₂Ti₂O₅（NTO）之间的界面接触确保了有效的离子/电子传输。此外，热解过程中钛酸盐和二氧化钛之间的原位相变将产生可控的二氧化钛/钛酸盐异质结构。因此，精确构建的锐钛矿/钛酸钠异质结构电极表现出优异的储钠能力、倍率性能和超长的循环寿命。

图2. 电化学测试和储钠机制

研究显示，C-NTC电极在5 A g^-1下经过35000次循环后可提供92.6 mAh g^-1的高比容量（100%容量保持），并在与Na-金属负极结合测试时在20 A g^-1下提供了54 mAh g^-1的优异倍率性能。此外，以C-NTC为负极、Na₃V₂(PO₄)₃@C-BN为正极组装的SIB全电池也表现出高达5500次的使用寿命。

电化学动力学测试和密度泛函理论测量证实，异质结构和OVs的协同效应加速了离子/电子转移动力学，稳定的框架结构和固体电解质界面层确保了长循环寿命。此外，原位X射线光子光谱显示，通过歧化反应产生的Ti⁰可能是导致钛基氧化物性能下降的原因，这为设计具有超长循环寿命的钛基电极提供了独特的见解和指导。

图3. 储钠动力学分析

Interface and Defect Engineered Titanium-Base Oxide Heterostructures Synchronizing High-Rate and Ultrastable Sodium Storage. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201531