基于二氧化钛纳米异质界面构建及在钠离子电池中的协同作用机理研究

Titanium dioxide as one of the promising anode materials in Sodium ion batteries owns the advantages of cost effectiveness, ease in processing, excellent stability, and stable intercalation chemistry. However, the sluggish kinetics reaction and low specific capacity of the titanium dioxide are deemed to the crucial challenge in achieving the high-power sodium ion batteries. In this project, a reasonable design heterostructure with interface/interphase is highly desired to improve the energy density without sacrifice the structure stability, and then establishing a structure-activity relationship between structure and electrochemical performance. The in-situ analysis equipment and first-principles density functional theory are applied to analysis the crystal-phase change、Na+ intercalation capacity and valence variation during charge/discharge of the interface/interface, to clarify the interface reaction mechanism. This project may clarify the structure-function-performance relationship and provide effective theoretical guidance for fabrication of electrode.

二氧化钛由于合适的钠离子嵌入电位，优异的结构稳定性以及丰富的自然储量，成为最具发展潜力的钠离子电池负极材料。然而，二氧化钛充放电过程中缓慢的动力学反应速率和较低的能量密度，使其在实际应用中受到极大限制。为了解决上述问题，本项目通过构筑非碳异质界面，增加电子转移通道进而提高离子/电子扩散速率，增强钠离子存储活性位点，在不牺牲结构稳定性的同时，提高二氧化钛负极材料的能量密度和功率密度，建立界面缺陷与电化学性能的构效关系。利用原位电化学分析手段结合第一性原理计算，研究充放电过程中界面缺陷对电化学反应热力学和动力学的影响，阐明金属氧化物复合材料异质界面的储钠机理，实现电化学性能与电极结构之间的精确调控，为优化电极制造和改进电极结构提供理论参考和规律性指导。

TiO2作为钠离子电池极具发展潜力的负极材料，存在导电性差、 离子扩散速率慢等问题，这些缺陷极大地限制了TiO2在钠离子电池中的实际应用。因此，本项目通过引入其他组分构筑复合材料，在不牺牲TiO2本身电化学性能的基础上，通过各组分之间的协同作用有效实现了TiO2复合材材料的高性能储能。并通过原位测试技术、固态核磁和理论计算等方式对复合材料性能提升的本质进行了研究，从而对非碳异质界面的储钠机理进行了研究，对高性能钠离子电池负极材料的设计提供了有效的理论依据。.本项目通过构筑不同材料的异质界面，通过原位XRD技术对复合材料的相界演变进行了分析，发现异质界面可以有效抑制材料的相转变，并通过非原为固态核磁技术证实材料的相界面存在活性位点，有助于提升材料的比容量。采用密度泛函理论与实验验证相结合的方式，对复合材料的异质界面的动力学特性进行了分析，对复合材料界面缺陷与电化学性能之间进行了研究，阐明了非碳异质界面的储钠机理。