[發明專利]一種基于有序H-TiO2

在審

• 申請號: 202110893698.4
• 申請日: 2021-08-05
• 公開（公告）號: CN113611869A
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 劉家琴;李玉磊;吳玉程;余彥
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/38;H01M10/054;H01M10/42;C25D11/26;C25D3/42;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 合肥輝達知識產權代理事務所(普通合伙) 34165
• 代理人: 汪守勇

一種基于有序H?TiO₂納米管陣列的鈉金屬負極材料及其制備方法，屬于新能源材料與器件技術領域。首先利用陽極氧化法在Ti片基體上生長有序TiO₂納米管陣列并進行晶化退火，然后進行電化學氫化改性得到有序H?TiO₂納米管陣列，最后采用恒流電沉積法將鈉金屬沉積于有序H?TiO₂納米管陣列中，制備獲得一種基于有序H?TiO₂納米管陣列的鈉金屬負極材料。H?TiO₂納米管陣列作為鈉金屬沉積的“宿主”，其高比表面積和三維多孔結構不僅能夠提高鈉金屬的負載量，而且可以均勻電場分布，降低局部電流密度，引導鈉離子均勻沉積，有效抑制鈉枝晶生長并緩沖電極體積變化，從而獲得穩定的鈉金屬負極材料。

技術領域

本發明屬于新能源材料與器件技術領域，具體涉及一種基于有序H-TiO₂納米管陣列的鈉金屬負極材料及其制備方法。

背景技術

在現有儲能電池體系中，鋰離子電池以能量密度高、循環性能好受到廣泛關注，并已在各類儲能示范工程中廣泛應用。然而，隨著規模化儲能及電動汽車技術的推廣應用，在地殼中分布不均且儲量有限的鋰資源成為制約了其大規模應用的最大障礙。由于鈉資源儲量豐富以及分布廣泛，鈉離子電池被認為是未來大規模、低成本儲能系統的理想候選者。由于傳統的石墨負極材料的儲鈉性能遠遠低于儲鋰性能，因此目前大多數研究都致力于開發高性能負極材料以提高鈉離子電池的能量密度。新興的鈉金屬負極具有高理論容量(1166mAh·g^-1)、較低的電極電勢(-2.71Vvs標準氫電極)和低密度(0.968gcm^-2)等優異特性，從而引起了研究人員的廣泛關注。采用金屬鈉為負極的電池如Na-O₂、Na-CO₂及室溫鈉硫(Na-S)電池都具有非常大的潛力成為新一代高比能、低成本的儲能裝置。

然而，在實際的可充電電池系統中有效使用鈉金屬負極，需要克服諸多挑戰，主要包括：(1)鈉離子的不均勻沉積導致鈉枝晶的生長，鈉枝晶會逐步刺穿隔膜導致電池短路失效，更嚴重時會使得電池出現熱失控導致自燃，產生嚴重的安全問題；(2)鈉離子在沉積/剝離過程中，由于電極材料巨大的體積變化，導致形成的固態電解質界面層(SEI膜)易破裂、不穩定；(3)嚴重的枝晶生長提高了鈉金屬與電解液的損耗量，增加了電池體系中副反應。這些問題都極大地阻礙了金屬鈉負極的實際應用。因此，如何獲得高性能的鈉金屬負極已成為鈉金屬電池走向產業化道路上亟待解決的關鍵問題。

針對鈉金屬負極存在的上述問題，通過設計和構建人工SEI膜(如在電極表面構建PhS₂Na₂層、Sn-Na合金層等)、液體電解液優化和電解液添加劑選擇以及固態電解質的應用等策略，能夠一定程度上促使鈉離子均勻沉積，抑制鈉枝晶生長。然而，這些策略不能從根本上解決鈉金屬在沉積/剝離過程中的電極材料體積變化和枝晶生長問題。通過設計和構建三維多孔集流體，利用其高比表面積降低局部電流密度，有效抑制枝晶生長并緩沖循環過程中的電極體積膨脹，從而獲得高循環穩定性、高安全性和長壽命的鈉金屬負極。

發明內容

本發明的目的在于首先利用陽極氧化法在Ti片基體上生長有序TiO₂納米管陣列并進行晶化退火，然后對晶化的有序TiO₂納米管陣列進行電化學氫化改性，得到有序H-TiO₂納米管陣列，最后采用恒流電沉積法將鈉金屬引入有序H-TiO₂納米管陣列中，制備獲得一種能夠引導鈉離子均勻沉積，穩定固-液界面，有效抑制鈉枝晶生長并緩沖電極體積變化的鈉金屬負極材料。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種基于有序H-TiO₂納米管陣列的鈉金屬負極材料，Ti片基體表面有一層有序排列的H-TiO₂納米管陣列，鈉金屬均勻沉積于有序H-TiO₂納米管陣列中。