江苏大学徐晖Small：一种新型水系锌离子电池TiO2基正极材料及其界面存储机制

第一作者：张代杰

通讯作者：徐晖*

单位：江苏大学

高安全、低成本的水系锌离子电池（AZIBs）是大规模储能应用的理想选择。然而，现有的正极材料（如钒基材料、锰基材料和普鲁士蓝类似物等）普遍存在动力学缓慢、易溶解和结构劣化等问题，这些问题严重制约了其在实际应用中的性能表现。大量研究表明，克服这些材料的固有缺陷仍然存在巨大的挑战。因此，转向开发新型且更具潜力的正极材料可能是推动AZIBs技术发展的一个有效策略。二氧化钛（TiO₂）因其出色的化学稳定性、低成本及无毒特性，在能源和催化等多个领域得到了广泛应用。然而，将TiO₂应用于AZIBs的正极材料尚未见报道。这主要是因为TiO₂的晶体结构狭窄，对锌离子表现出较强的静电排斥作用。因此，探索并优化TiO₂的结构及其表界面性质是实现其在AZIBs中应用的关键。

基于此，江苏大学材料学院徐晖课题组采用金属有机框架作为前驱体，通过精确调节配位参数，严格控制反应条件，并适当引入添加剂，成功制备了一种界面浓度高、相容性好且稳定的TiO₂/C复合材料 （TOC-AI）。在该材料中，超细的TiO₂纳米晶体均匀地分散在非晶碳骨架中，形成了连续的导电网络和丰富的异质界面（图1a）。这种原子级界面接触和强交互作用明显优于传统的TiO₂/C复合材料（图1b），从而实现了电子和离子在界面处的解耦传输（job-sharing）。研究还发现钛空位能够促进锌离子嵌入界面，提供了额外的容量。

作为AZIBs正极时，该材料在1 A g^-1的电流密度下实现了17000次的超长循环寿命。此外，这种以界面为主导的存储机制还被成功地拓展到其他的复合系统中，从而有效扩大了传统上被认为不适用于锌离子存储的材料的潜在应用范围。该项成果以“A New TiO₂-Based Cathode Material with Interface-Dominated Storage Mechanism for Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题在国际知名期刊Small上发表。本文的第一作者为江苏大学材料学院硕士研究生张代杰。

图1. TiO₂与C的复合结构示意图：(a) TOC-AI，(b)传统的TiO₂/C复合材料。

图2. (a) TOC-AI的合成过程示意图，(b-h) TOC-AI的TEM图和EDS-Mapping图。

图3. (a-d) TOC-AI的XPS光谱，Raman光谱、FTIR光谱和接触角测试，(e) TiO₂的晶粒尺寸与界面浓度的关系示意图。

图4. TOC-AI作为AZIBs正极材料的电化学性能：(a) 循环性能，(b) 倍率性能，(c) 充放电曲线，(d) 长循环性能，(e) 循环伏安曲线，(f) 电容贡献。

图5. (a, b) TOC-AI的界面热力学分析，(c) job-sharing机制示意图，(d-h) TOC-AI的非原位表征。

图6. TOC-AI 作为锌负极保护层（TOC-AI@Zn）的电化学性能。