高性能多孔TiO2基介观晶体钠离子电池负极材料的研究

A major obstacle in realizing Na-ion batteries (NIBs) is the absence of suitable anode materials. In this proposal, TiO2-based mesocrystals would be developed as anode materials for NIBs. It would be carefully investigated how the microstructures of mesocrystals, including the pore radius, surface area and crystalline size, influence the sodium-ion storage performance. The fundamental electrochemical mechanism of TiO2 polymorphs for sodium-ion storage would be also studied and revealed. Furthermore, in order to improve the rate capability through the faster transmission rate of electron or ion, TiO2 mesocrystals coating with carbon and graphene would be prepared by an in situ self-assemble route. We wish some TiO2-based mesocrystals with excellent sodium-ion storage properties could be obtained after aborative research of this project, and thus offer significant guidance for designing and developing electrode materials for NIBs with superior performance.

缺乏高性能的负极材料是制约钠离子电池（NIBs）应用的一大瓶颈。本项目拟设计构筑多孔结构的TiO2基介观晶体作为NIBs负极材料，着重考察TiO2介观晶体微结构，如孔径、比表面积和晶粒尺寸对储钠性能的影响，探索比较不同晶相TiO2介观晶体在NIBs中的应用，并揭示其电化学储钠机制；自组装原位合成碳及石墨烯共包覆的多孔TiO2介观晶体，进一步提高电极材料的电子或离子电导率，改进其倍率性能。经过系统研究，构建具有优异储钠性能的TiO2基介观晶体电极材料，为开发设计高性能NIBs电极材料提供重要的理论和应用指导。

缺乏可用的负极材料是制约钠离子电池（NIBs）应用的一大瓶颈，纳米结构TiO2在NIBs 负极材料中具有良好的应用前景，但是关于TiO2 的储钠电化学机制和储钠性能迫切需要进一步的研究和改进。.在本项目的资助下，我们开发了一系列不同晶相、形貌和结构的TiO2基介观晶体材料，深入系统研究了材料的电化学储钠性能和储钠机制，同时利用表界面改性进一步提高钛氧化物电极材料的储钠性能，所取得的主要进展和成果如下：（1）采用自组装法一步合成多孔TiO2 基介观晶体，制备出具有大比表面积、形貌可调可调的金红石TiO2介晶，并发现其具有优异的储钠性能。（2）在无添加剂的低温（80oC）条件下，成功地一步合成分级结构的金红石TiO2介晶，深入探讨了这种材料的形成机制。该材料比普通商业化的纳米离子明显具有更高的容量和倍率性能。EIS谱和CV曲线研究发现金红石TiO2纳米晶可以通过赝电容过程来储存钠离子。（3）设计了一种碳包覆TiO2介晶嵌入到石墨烯的纳米复合材(TiO2@C-rGO)，这种复合材料在0.1A/g电流密度下，TiO2@C-rGO 复合材料可逆容量达到300 mAh/g；在1 A/g的大电流密度下循环1000次后，其可逆容量仍可稳定在159 mAh/g。（4）通过热处理金属有机框架前驱体MIL-125(Ti)-Co进行原位合成金属离子掺杂的介孔TiO2作为钠离子电池负极材料，利用开尔文扫描探针显微镜研究材料的物理化学特性对其增强储钠性能的影响。（5）通过利用具有多孔和层状结构的S掺杂的TiO2纳米片作为阳极，并改换传统的酯类电解液为醚基电解质，使得TiO2负极的首次效率达到创纪录高的88.6％；与Na3V2(PO4)3阴极配对，我们成功的组装了具有高能量和功率密度的储钠全电器件。这一系列研究成果为开发设计高性能TiO2基及其它钠离子电池负极材料提供重要的理论和应用基础。.