文章信息
导电性调控策略增强钠离子界面类电容式存储
第一作者：李倩文 王航 唐新锋
通讯作者：周敏1*，雷勇2*
单位：中国科学技术大学1，德国伊尔梅瑙工业大学2
研究背景
钠，不仅与锂相似的电化学性能，而且具有资源丰富、安全性高、成本低等优点，因此钠离子电池在电网储能领域具有重要应用前景。然而，钠离子较大的尺寸增加了离子嵌入的难度，不利于实现电池高速充放电。
传统的提高倍率性能的策略多集中于钠离子在材料内部扩散的优化。然而，加快电子的传导对储钠能力也起着至关重要的作用。通过调节电极的导电性来优化界面类容式的存储，有助于同时实现电池的高能量密度和高功率密度。
针对上述问题，本文设计了三明治式三维有序大孔结构 (3DOM)，证实借助电极的电导率调控，可优化界面类电容式的储钠机制，实现功能材料的能量存储能力的提升。
文章简介
基于此，来自中国科学技术大学周敏教授与德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Electrical Conductivity Adjustment for Interface Capacitive-like Storage in Sodium-ion Battery”的文章。
本文指出，使用Ni-3DOM作为骨架对TiO2基电极的导电性进行调控，证实高导电性的电极具有更高比例的界面类电容式储存，相应的钠离子半电池和全电池，表现出了出色的倍率性能和优异的循环稳定性。将导电性应用到电池设计中，为实现高速率性能的储钠器件提供了一个新颖和有价值的视角。
本文要点
要点一：Ni-3DOM骨架的引入优化了电极的导电性
图1 (a) Ni-TiO2三明治式3DOM的合成示意图; (b) Ni-TiO2夹层3DOM(左)和TiO2 3DOM(右) 中离子扩散长度和电子传递途径示意图；(e) 材料的结构表征电流-电压(I-V)曲线; (f-h) Ni-TiO2 sandwich 3DOM和TiO2 3DOM电极循环后电化学阻抗的Nyquist图: (f) 20次循环, (g) 50次循环; (h)两种电极循环20次和50次后的电荷转移电阻(Rct)比较。
借助原子层沉积技术，实现TiO2在不同集流体上的均匀沉积和厚度控制，电流-电压曲线证明了Ni-3DOM骨架的引入极大地提高了电极中的电子传递，并有效降低了表面电荷转移电阻。
要点二：探索了Ni-TiO2 3DOM储钠过程中的类电容储存机制
图2 (a-d) Ni-TiO2 sandwich 3DOM (a,c) 和TiO2 3DOM (b,d)的循环伏安曲线及其计算结果; (e-j) Ni-TiO2 sandwich 3DOM (e-g) 和TiO2 3DOM (h-j)中类电容式储存与扩散机制的比例。
借助精准控制的模型体系，实现电极导电性与类电容式储存的关联性，具有较高电导率的Ni-TiO2三明治式3DOM电极在界面或界面附近类电容式储存显著增加。
要点三：构建性能优异的钠离子电池
图3 (a-c) 半电池的电化学性能；(d-f) 全电池的示意图及其电化学性能。
以Ni-TiO2三明治式3DOM结构为负极构建半电池和全电池，均表现出高倍率性能以及良好的循环稳定性。测试结果表明，半电池时在2.0 A g−1的条件下经过1000次循环，容量仍然维持在91.0 %。同时，组装成全电池时在50 mA g-1条件下循环100次仍可获得210.1 mAh g-1的容量。
得益于界面类电容式储存的提升，Ni-TiO2三明治式3DOM表现出稳定的容量保持和高倍率钠存储能力。这一结果证实通过提高电极的导电性，有望通过调节储能机理，实现高倍率与高功率能量存储器件。
文章链接
Electrical Conductivity Adjustment for Interface Capacitive-like Storage in Sodium-ion Battery
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101081
通讯作者介绍
周敏 中国科学技术大学，微尺度物质科学国家研究中心。
2007年在华东师范大学化学系获学士学位；2012年获中国科学技术大学化学博士，2012到2019年，在德国伊尔梅瑙工业大学微纳技术与物理研究中心担任从事博士后工作研究员。2019年入选国家创新人才计划青年项目，在中国科学技术大学担任特任教授。
周敏教授一直从事“低维无机功能材料”相关课题研究，借助纳米图案化过程，利用无机固体中丰富的相变行为和原子层面上几何特征位点功能化，实现了材料的智能调制。已在Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Comm., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Nano Today, ACS Nano等国际期刊上发表论文65篇，总被引7000余次。
雷勇，德国伊尔梅瑙工业大学。
1991年在中山大学物理系获学士学位；2001年于中国科学院固体物理研究所获得理学博士学位；2001-2003年在新加坡国立大学从事博士后研究。2003到2006年作为洪堡学者和博士后在德国卡尔斯鲁厄理工大学工作。2006年开始在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授。2011年起在德国伊尔梅瑙工业大学担任终身教授，并担任应用纳米物理研究团队（Fachgebiet Angewandte Nanophysik）负责人（Fachgebietsleiter）。
雷勇教授在多元和表面纳米结构化、钠离子和钾离子电池等领域取得了瞩目的研究成果。迄今共发表了超过220篇学术文章、以及多项专利和专著。以通讯作者在影响因子大于20的期刊上发表论文19篇，影响因子10-20的期刊上发表论文74篇，如Nat. Nanotech., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Adv. Energy Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Today等。
雷勇教授主持了多项欧洲和德国的大型研究项目，包括2项欧洲研究委员会的ERC研究项目、德国联邦教育及研究部（BMBF）重大研究项目、德国研究基金会（DFG）和德国大众基金会。他目前担任学术期刊Advanced Energy Materials的Editorial Advisory Board Member；Energy& Environmental Materials的Associate Editor；Carbon Energy和InfoMat的Editorial Board Member。
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