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晏成林/馬仁志/盧學毅ACS Nano: 基于異質結中的內置電場實現卓越的鈉存儲

鈉離子電池（SIBs）作為一種有吸引力的鋰離子電池（LIBs）的替代能源，由于鈉的高自然豐度而備受關注。然而，鈉離子具有更大的原子量和離子半徑，導致其傳輸動力學更加遲緩、體積膨脹更加劇烈。因此，迫切需要減輕過度的體積變化及提高其可逆容量和電導率。

在此，蘇州大學晏成林教授、中山大學盧學毅副教授及日本國立材料科學研究所（NIMS）馬仁志研究員、Takayoshi Sasaki等人報道了一種可以加速離子和電荷轉移的原子界面電場的合理構建策略，從而實現卓越的鈉存儲。該內置電場是通過組裝單層鈮酸鈦（TiNbO₅）納米片和通過交替靜電堆疊還原氧化石墨烯（rGO）形成異質結構產生的，TiNbO₅和rGO產生異質結構的雜化過程如圖1所示。

研究表明，與簡單的金屬氧化物相比，鈮酸鈦中多價陽離子的存在有助于提高比容量。特別值得注意的是，TiNbO₅和石墨烯中的不平衡表面電荷分布產生了通過掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM）可視化的內置電場，從而加速了鈉離子擴散動力學。

圖1. TiNbO₅/rGO異質結構的形成示意圖

作者將所有納米片樣品都用作鈉離子電池的負極材料，以評估其電化學活性。在電場的作用下，TiNbO₅/rGO異質結構在0.05 A g^-1的電流密度下提供了 245 mAh g^-1的高可逆比容量和3000次循環的穩定循環壽命，每循環的容量衰減低至 0.0004%。此外，DFT計算表明，~0.01e從石墨烯轉移到 HTiNbO₅，這將在界面處誘導內建電場的形成，并使鈉離子在原子界面處通過相互連接的遷移路徑擴散。

同時，由于本征電荷再分布，電子電導率也大大提高。受益于這些優勢，所制備的TiNbO₅/rGO異質結構表現出優異的鈉離子存儲性能。總之，這項研究揭示了人工異質結構在鈉存儲中的優越性，可以擴展到其他類型的電化學能量存儲和轉換系統。

圖2. TiNbO₅/rGO異質結構的儲鈉性能

Accelerated Ionic and Charge Transfer through Atomic Interfacial Electric Fields for Superior Sodium Storage, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c00089

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