浙大《AFM》如何利用好贗電容效應,提升電極性能?

2021-02-13 材料科學與工程



































































































































































































































































































































導讀:通過與磷高溫反應,在塊狀TiO2上實現了異質結的構建,大大提升了材料的贗電容效應,明顯增強了電極的儲鈉性能。這一研究大大開拓了人們對異質結的研究及贗電容效應的應用。良好的體積比容量也使得該材料設計思路具有極高的商業應用價值。

 

贗電容效應可以大幅提升負極材料的比容量和倍率性能。目前,具有贗電容效應材料的設計合成思路主要是通過將材料縮小到納米尺寸,而這將導致電極的體積比容量降低和副反應的發生,使得該效應無法真正的被利用到商業電極材料上

近日,浙江大學的吳浩斌及其團隊通過與磷高溫反應,成功實現了塊狀TiO2上的異質結構建。所形成的Ti-P中間相網絡可以在充放電過程中實現鈉離子的快速擴散傳遞,大大提高了電極的電化學性能,為贗電容效應的利用拓寬了思路。相關論文以題為「Interface-Induced Pseudocapacitance in Nonporous Heterogeneous Particlesfor High Volumetric Sodium Storage」在Advanced Functional Materials上發表。

 

論文連結:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002019

                           

可充電鹼性離子電池,尤其是鋰離子電池(LIBs)和鈉離子電池(SIBs)已經成為目前的主流儲能體系。而LIBs和SIBs中離子在電極材料中的擴散速率較慢,導致無法快速的充放電。解決這一問題的常見思路就是縮小材料的尺寸至納米尺度以增加表面積,使得材料具有更多的界面以快速吸附額外的鹼性離子,達到提高容量、縮短充放電時間的目的,而這種效應也就是贗電容效應但是縮小材料的尺寸也往往意味著密度增加和副反應加劇,導致質量比容量和循環穩定性下降。如何更為合理的利用贗電容效應,已成為提高現有鹼性離子電池性能的重要課題之一。

 

本文作者針對上述問題,製備了具有精巧異質結結構的非多孔大顆粒。通過納米多孔TiO2與紅磷一起高溫煅燒,原位形成了連續的3D Ti-P中間相網絡,助力材料在沒有多孔滲入電解液的情況下實現鈉離子的快速擴散。電化學結果顯示該材料的在8 mg cm-2的面載量上面比容量遠高於石墨電極,並且在0.2 A g-1的電流密度下循環400圈後體積比容量依舊保持月300mA h cm-3。通過贗電容容量/擴散容量比例計算發現贗電容貢獻容量比例較對比樣明顯提升,此外鈉離子擴散係數係數也證明該樣品的鈉離子擴散速率同樣更高。

 

總的來說,作者以紅磷改性的TiO2作為典型的例,對贗電容效應現存的問題提出了一種解決思路,明顯提高了材料的體積比容量。獨特的3D中間相網絡使得非多孔大顆粒在保證自身密度的同時,同樣可以發揮贗電容效應。該研究對贗電容效應的研究和應用是一種全新角度的探索,為之後將贗電容效應實際應用於商用電極提供了重要的參考。(文:Today)

 

圖1 (a) P-TiO2的製備示意圖;(b) ) P-TiO2的XRD圖;(c) P-TiO2的TGA圖;(d) P-TiO2的N2吸附曲線圖;(e) P-TiO2的拉曼圖;(f)-(g) P-TiO2的XPS圖。

圖2 (a)-(d) 為高溫反應的TiO2的透射圖;(e)-(P) P-TiO2的透射圖和元素映射圖。

圖3樣品的電化學性能及不同陽極材料在相同重量下的比較。

圖4 (a)-(b) 贗電容貢獻比例計算圖;(c)-(d) 鈉離子擴散計算結果;(e) P-TiO2的嵌鈉/脫鈉過程示意圖。

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