结构限域生长诱导预应变对储钠性能的影响及其作用机制

Sodium ion battery (SIB) is one of ideal energy storage techniques for future large-scale applications, as it has many chemical characters similar to lithium ion battery and sodium element is very abundant both in the earth’s crust and the ocean. Up to now, preparing appropriate nanostructures, doping, compositing with carbon-based materials, and surface treatments are main ways to improve the electrochemical performances of electrodes for sodium ion battery. In theory, preapplied strains can change the total internal energy and ion migration barriers of electrode materials. In this proposal, preapplied strains are employed to enhance the electrochemical performances of titanium-based anode materials for sodium ion battery and the corresponding mechanism is also investigated in details. New synthetic strategies are developed to induce strains on every nanostructured building block of materials on the basis of confined growth. DFT calculation and finite element simulation are used to analyze the thermodynamics and the change of the strain/stress during charge/discharge cycles, respectively. Besides, the effect of strains on the performances, dynamics, and mechanism of sodium storage is experimentally studied. High-performance anode materials for sodium ion battery are achieved by the simultaneous optimization of preapplied strains and micro-/nanostructures. This work will shed a new light on the sodium storage mechanism and open new perspectives for constructing high-performance anode materials.

钠离子电池具有与锂离子电池相似的化学特性，且钠元素的储量丰富，是未来可持续大规模应用的理想储能技术之一。目前，提高钠离子电池电极材料性能的方法主要包括微结构设计、掺杂、与碳材料复合及表面处理等。理论上，对电极材料施加预应变会显著影响材料体系能量及离子迁移特性。本项目以施加可控的预应变为改性技术，以钛基负极材料为研究对象，以提高材料的储钠性能为目标，探索预应变对材料电化学性能的影响及其作用机制。基于限域生长原理，开发可对材料的每个纳米结构组成单元施加均匀预应变的新制备方法；理论上模拟储钠过程的热力学及循环过程中的应变/应力变化，实验上揭示预应变对储钠性能、动力学及机理的影响；在此基础上，同时优化负极材料的预应变和微纳结构，发展高性能钠离子负极材料。本项目的研究将有助于加深对材料储钠机理的认识，为构筑高性能钠离子电池负极材料提供新思路。

由于钠元素储量十分丰富，开发高性能钠离子电池对大规模电站储能具有重要的意义。预应变可影响电极材料体系能量及离子迁移特性，但目前控制非层状材料的晶格常数仍较困难。本项目以低成本钛基负极材料为对象，发展了可在钛基电极材料的每个纳米结构组成单元引入均匀预应变（晶格常数变化）的新方法。通过利用纳米结构基底对材料生长过程的影响，调控晶格常数，并揭示了界面对晶格常数变化的影响机理。阐述了晶格常数变对钛基负极材料储钠性能的影响规律，理论计算结果表明晶格膨胀可使钠离子的嵌入在热力学上更有利且可大幅降低钠离子在材料晶格中的扩散能垒。研究钛基负极材料表面结构对材料生长过程和电化学储能性能的影响，提出了“表面结构诱导柯肯达尔效应”和“表面结构诱导去溶剂化效应”机制。对微结构和预应变同时优化后，锐钛矿二氧化钛中的水系储钠性能得到显著提升（最高提升200倍）。在此基础上，构筑高比能水系钠离子电池，并验证上述调控方法在其他功能材料中的适用性。这些研究结果为构筑高性能电化学能量存储材料提供了新的设计思路、理论依据和技术途径。