钠电池(兄弟姐妹)赢得了关注作为锂离子电池的候选人替换(LIBs)在大规模储能领域( 1, 2),这是归因于地球的资源和丰富的钠相似的理化性质与填词( 3- - - - - - 5]。直到现在,很多人一直在努力解决缓慢sodiation / desodiation动力学和大容量扩张引起的大半径Na⁺(1.02和0.76的⁺)[ 6- - - - - - 8]。此外,容量和循环稳定性还需要改进以满足实际应用。至关重要的选择和设计合适的阳极材料同胞认识到快速Na⁺插入/提取具有高容量和循环稳定性( 9, 10]。

在众多候选人阳极材料,TiO₂与锐钛矿相探索作为兄弟姐妹有前途的阳极材料与低成本、丰富,环境亲切和优异的结构稳定性 11- - - - - - 13]。然而,不良的导电性和缓慢的离子扩散系数限制了它的进一步应用 14]。许多努力改善同胞离子/电子运输成本。朱和同事( 15]合成TiO₂纳米颗粒涂层由mutiwalled碳纳米管和碳纳米棒作为阳极,表现出卓越的能力和循环稳定性。他和同事 16TiO)准备一个层次rod-in-tube结构₂修改与有益的碳层为阳极,快离子扩散和高导电性。因此,有效的策略来提高电化学性能是纳米尺度TiO₂然后将导电矩阵( 16- - - - - - 22]。尽管进展,TiO的理性设计纳米结构₂基于阳极仍然在巨大的需求。

在此,我们提出独立灵活剔出碳nanofiber-embedded锐钛矿TiO₂纳米颗粒(CNF-TiO₂直接)作为阳极的兄弟姐妹没有粘结剂和集电器,这不仅可以增加能量密度也探索灵活的设备的潜在应用。远程连续碳纳米纤维可以提高导电性纳米锐钛矿TiO₂,细纤维可以缩短Na的扩散路径⁺,它可以促进Na的电化学动力学⁺插入/提取。独立灵活的三维碳结构和嵌入式TiO₂纳米颗粒可以提高结构稳定性在Na缓解体积变化⁺插入/提取。此外,cnf增加electrode-electrolyte粗糙表面的接触点,降低了电荷转移电阻。高的特定能力614 mAh·g⁻¹(0.27 mAh·厘米⁻²)是获得与能力近400周期后保留~ 100%,证实CNF-TiO的潜力₂作为兄弟姐妹的阳极。

CNF-TiO的结构和形态₂发现通过XRD、TG、XPS、SEM和TEM。如图 1(一)所有的衍射峰和锐钛矿TiO匹配得很好₂(JCPDS编号021 - 1272),确认了热解温度适当获得高纯度的锐钛矿TiO₂。此外,这些衍射峰的强度稍弱表明TiO₂纳米粒子被嵌入纳米碳纤维。在热重量分析法测量(图 1 (b))CNF-TiO₂,TiO的内容₂是26.2%。Ti的CNF-TiO₂澄清了x射线光电子能谱(XPS)如图 1 (c),这表明两峰值464.6 eV和458.7 eV,对应2 p 3/2的轨道和2 p Ti的1/2^{4 +},分别。Ti 2 p XPS结果也证实了锐钛矿TiO的形成₂。

数据 2(一个)- - - - - - 2 (f)执行CNF-TiO的形态₂。SEM图像(图 2(一个)- - - - - - 2 (c))显示一个极其粗糙表面as-synthesized纳米纤维直径的~ 300纳米。许多皱纹出现在700°C热解治疗TiO的结晶₂纳米粒子和聚合物纤维的分解,这可能为Na提供活跃的网站⁺插入/提取。此外,远程连续碳纳米纤维矩阵与高导电性将导致快速的电子传输。至于TEM图像不同的放大(数字 2 (d)- - - - - - 2 (f)TiO的),均匀₂可以清楚地观察到纳米颗粒大小和100 nm和200 nm之间他们都涂上了无定形碳。晶格间距为0.363 nm,对应于(101)锐钛矿TiO的飞机₂,可以清楚地发现在高分辨率透射电镜图像(图 2 (f)),这意味着高结晶度的锐钛矿TiO₂。TiO的₂更大的晶格间距0.363比0.102 nm的Na⁺和特定的空间群预告₁/<我talic> amd(<我nline-formula> 一个 = 3.785 一个 ,<我nline-formula> c = 9.514 一个 )可以确保快速插入/提取Na⁺( 23, 24Na)⁺插入/提取中间的锐钛矿TiO吗₂( 23]。此外,它可以稳定CNF-TiO的结构₂配合无定形碳通过持久的电池体积变化的反应。

CNF-TiO的电化学性能₂阳极为妹妹了循环伏安法(CV) 0.01 V至3 V的扫描速率0.1 mV·s⁻¹马和恒电流充放电技术在200·g⁻¹。如图 3(一个)0和0.5 V之间,一个强大的阴极峰出现在第一个周期的SIB和消失在以下四个周期,这表明电解液的分解,形成固态电解质间期(SEI)的电影。未来四扫描的良性重叠的简历曲线表明良好的循环稳定性和Na的可逆性⁺插入/提取。图 3 (b)显示了CNF-TiO的充电/放电曲线₂作为兄弟姐妹的阳极恒流200马·g⁻¹。在最初的周期中,存在大量的不可逆容量与下面的曲线相比,与简历在协议测试。充电/放电曲线没有明显的高原展示流利的插入/提取Na⁺无定形碳和水晶TiO₂晶格。初始放电容量是792 mAh·g⁻¹(0.35 mAh·厘米⁻²与电池的库伦效率(35.5%),放电能力略有增加在随后的周期,连续CNF-TiO阻力降低₂这种材料的激活,也证实了在电化学阻抗谱(EIS,图 3 (d))。EIS结果显示了轻微下降,电荷转移电阻前10周期,然后逐渐增加直到80年周期,这是激活和轻微的CNF-TiO结构性破坏的结果₂,分别。

CNF-TiO的速度性能₂进一步研究了在不同恒定电流从100年马·g⁻¹5000毫安·g⁻¹。如图 3 (c),能力仍然可以保留378 mAh·g⁻¹,309 mAh·g⁻¹,133 mAh·g⁻¹1000毫安的电流密度·g⁻¹2000年马·g⁻¹,5000马·g⁻¹,表明快速的插入/提取Na的过程⁺。此外,当电流密度恢复到100年马·g⁻¹,能力可以保留最初的水平,显示突出率CNF-TiO的性能₂作为SIB的阳极。CNF-TiO₂也表现出显著的长期循环稳定性(图 3 (e))。它可以提供高初始容量的792 mAh·g⁻¹库仑效率35.5%稳定在614 mAh·g⁻¹经过近400次,表明CNF-TiO的优良的循环性能和结构稳定性₂阳极。一方面,大型length-to-volume CNFs-TiO的比例₂提供了更积极的网站表面的钠离子吸附1 d纳米纤维,提供额外的贡献能力。另一方面,CNFs-TiO的特定能力₂基于TiO的质量₂尽管碳底物可能造成部分能力。应该注意的是,容量增加在最初的周期,这可能是由于活动流程由于CNF-TiO的3 d互连纳米结构₂( 16]。

进一步解开CNF-TiO的电化学动力学性质₂作为妹妹,阳极在不同的扫描率从0.1 mV CV测试·s⁻¹1 mV·s⁻¹执行图 4(一)。所有的简历周期有一个广阔的Na山峰的形状相似⁺插入/提取。此外,小峰转变不同的扫描率表明CNF-TiO的较小的极化₂。峰值电流(<我nline-formula> 我 )的曲线可以分为两个部分:机制diffusion-controlled和地面控制,分别对应于电池和电容性反应。

为了算出每个部分的贡献,方程<我nline-formula> 我 = 一个 · v b ( 25, 26)与峰值电流(<我nline-formula> 我 ,mA)和扫描速率(<我nline-formula> v mV·s⁻¹动力学)进行定性分析,也可以表示成日志<我nline-formula> 我 = 日志 一个 + b ·日志<我talic> v。<我nline-formula> 一个 和<我nline-formula> b 从实验获得的是常数。的<我nline-formula> b 值是由日志的斜率表示<我nline-formula> v − 日志 我 情节。有两种极限情况下:<我nline-formula> b = 0.5 (电池),意味着diffusion-controlled机制<我nline-formula> b = 1 代表一个地面控制过程(电容)。如图 4 (b)阴极峰显示,估计<我nline-formula> b 值为0.895时,阳极峰0.849从0.1 mV·s⁻¹1 mV·s⁻¹,这意味着CNF-TiO的电化学动力学₂作为阳极表面扩散控制和控制的组合机构(主要)。

此外,电容和电池贡献贡献可以分别定量分析方程<我nline-formula> 我 = k 1 v + k 2 v 1 / 2 ( 20.),<我nline-formula> 我 是当前在一个固定的电压与不同扫描速率,然后呢<我nline-formula> k 1 v 和<我nline-formula> k 2 v 1 / 2 来自地面控制的贡献,diffusion-controlled反应,分别。为了方便计算,这个公式可以转换<我nline-formula> 我 / v 1 / 2 = k 1 v 1 / 2 + k 2 。然后,<我nline-formula> k 1 和<我nline-formula> k 2 可以获得的拟合图吗<我nline-formula> v 1 / 2 − 我 / v 1 / 2 。图 4 (c)显示当前来源于两部分明显的红色阴影区域和空白代表电容和电池反应,分别,这表明电容效应的贡献是54.3%。图 4 (d)展品的能力贡献增加扫描率的上升,46.2% (0.1 mV·s⁻¹),53% (0.3 mV·s⁻¹),54.3% (0.5 mV·s⁻¹),65.4% (0.7 mV·s⁻¹),68.4% (0.9 mV·s⁻¹)。这些表明,CNF-TiO电容的贡献₂阳极可以缩短电子转移路径和减少钠的屏障⁺插入/提取。

总之,这种灵活的独立式CNF-TiO₂可以成功地合成了一个灵巧的电纺的方法其次是热解治疗700°C。这种材料作为阳极展示特定的可逆容量高614 mAh·g⁻¹(0.27 mAh·厘米⁻²)、优良的性能和长周期稳定在200马·g⁻¹,这可以归因于远程连续导电纳米碳纤维和TiO₂纳米粒子具有优良的结构稳定性和更大的晶格比Na的半径0.363海里⁺。经过近400次,保留继续~ 100%,这表明高可逆性能和优秀的宽容的过程中体积变化Na⁺插入/提取。