哈工大《ACS Nano》：大幅提升电极性能，-30℃也能较好使用！
编辑推荐：本文针对锂电池负极在低温下较差的动力学能力，提出Sn离子掺杂嵌入层状钛酸盐材料中，大幅提高了负极在低温条件下的电化学性能。通过活化后电极的反应动力学提高了三倍，进一步拓宽了钠离子电池（SIBs）的反应温度范围。
受制于低温条件下更差的反应动力学，SIBs的电化学性能随温度下降会出现明显的衰落，在过低温度下甚至会出现完全无法使用的情况。如何提高SIBs的低温性能，是SIBs在高纬度地区应用不得不面对的实际问题。近日，哈尔滨工业大学的王振波教授及其团队提出通过Sn2+离子嵌入层状负极之中，通过协同作用，大幅提高电极的反应动力学，使得在-30℃下，电池依旧可以保持较好的电化学性能。并通过分析其反应机理，为后续的特殊条件储能器件的设计提供了极大地参考指导。相关论文以题为“Enhancing Na-Ion Storage at Subzero Temperature via Interlayer Confinement of Sn2+”在 ACS nano上发表。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05925
由于钠元素更高的丰度，SIBs电池被认为是最有希望取代锂离子电池的下一代储能器件。但是，SIBs离实际商业化应用还有着诸多的问题，其中之一就是其在低温环境中SIBs电池的离子电导率、离子扩散系数均会降低，而界面阻抗也会升高，这些最终导致电池的电化学性能会发生大幅衰减，导致其无法在高纬度地区或者其他极端环境中应用。根据最近的研究发现电池的正极（Na3V2(PO4)3、Na3Ti2(PO4)3等）和电解液体系其实在低温条件下均还有较好的电化学性能，因此认为决定电池低温条件下的电化学性能的关键在于负极材料。但SIBs负极材料在低温下的研究还较少，且主要为炭材料，关于负极的反应动力学和离子电导率显然也需要系统的研究。
本文作者针对这一问题，制备出仅有Sn离子掺杂的H2Ti2O4(OH)2（HTO），并对其在低温条件下的反应动力学进行了研究。结果表明在层间Sn的Sn-5s具有更大的电荷，会与O-2p杂化引起电荷的再分配，从而提高电导率。Sn的合金化反应可以给电极提供额外的比容量，而HTO又可以稳定Sn的反应状态，抑制体积膨胀。此外，电池在循环过程中产生的Na14Sn4还可以扩大HTO的层间距，有利于电子的转移。这些协同导致电极在-20℃下循环1200圈还有91%的容量保持率；在-30℃下循环850圈还有90%的容量保持率。
总的来说，作者利用Sn和HTO的协同作用，实现了SIBs在极低温条件下良好电化学性能。该结果表明分层限制策略是提高电池反应动力学和离子扩散能力的有效手段，对低温环境电池材料的设计研发具有极其重要的指导意义。（文：Today）
图1 (a) S-LT的制备示意图；(b) 25-250℃下的原位变温XRD图；(c) H-LT的HRTEM图；(d) S-LT的HRTEM图；(e) S-LT的元素映射图；(f)-(i) 样品的XPS图。
图2 样品的动力学计算结果。
图3 S-LT在充放电过程中的相结构分析。
图4 S-LT电极的反应动力学和反应势垒分析。
图5 低温条件下电极的电化学测试。