科技资讯写作大赛｜Nano Letters: 类“电线管”结构二氧化钛-锡@碳纤维的高容量锂/钠离子电池负极

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我）受到读者们的广泛关注，感谢各期刊，杂志社的鼎力支持及各位材料人的积极参与！

【引言】

锂离子电池对我们的生产生活产生了巨大影响，尤其在消费性电子产品领域，但在高容量、长寿命锂离子电池方面仍存在较大的瓶颈——因为现有锂离子电池负极碳材料的比容量较低（370 mA h/g）。另外，受制于锂矿资源有限，锂离子电池的成本和售价进一步提高的可能性巨大，所以发展资源丰富的钠离子电池迫在眉睫。锡基负极材料由于具有很高的理论储锂（993 mA h/g）储钠容量、较低的电压平台和较大的压实密度而得到广泛的研究，是最具应用潜力的锂/钠离子电池负极材料之一。然而，锡基负极材料在充放电过程中巨大的体积效应易导致电极材料破碎、粉化、脱落，导致容量衰减迅速，这极大限制了其商业化应用。

【成果简介】

最近，湖南大学张明课题组与University of Maryland的Chunsheng Wang课题组合作，在氧化锡-石墨烯柔性纤维毡负极（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 12672）的基础上，从“电线管”结构——既能导电也具有很好的绝缘保护作用——得到启发，设计了具有“电线管”结构的二氧化钛-锡@碳纤维，利用静电纺丝和原子层沉积技术制得了比容量和稳定性显著高于传统碳材料、未经修饰锡材料的储锂/钠负极，相关成果以“Pipe-Wire TiO₂–Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries”为题发表在Nano Letters。

【图文导读】

图1 复合纤维的合成和形貌

(a) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维合成示意图；

(b-d) 分别是锡@碳纤维、核壳二氧化钛-锡@碳纤维、“线管”结构二氧化钛-锡@碳纤维的扫描电镜图片；

(e-f) “线管”结构二氧化钛-锡@碳纤维数码图片，展示其柔韧性。

图2 复合纤维的结构表征

(a-c) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的透射电镜图片；

(b-d) 复合纤维中，碳、锡、钛等元素分布图，证实其“线管”结构。

图3 复合纤维的组成分析“线管”二氧化钛-锡@碳纤维的XRD、TG、DTG

(a) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的XRD谱，确认二氧化钛和锡单质的存在；

(b) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的TG、DTG曲线，确认各组分的比例。

图4 复合纤维的XPS分析

(a) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的XPS全谱，显示碳、锡、钛、氧的存在；

(b-d) 分别是碳、锡、钛元素的精细XPS谱图。

图5 “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的储锂/钠机理分析

(a, c) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维作为锂离子电池负极的循环伏安曲线（0.2 mV/s）和充放电曲线（100 mA/g）

(b, d) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维作为钠离子电池负极的循环伏安曲线（0.2 mV/s）和充放电曲线（100 mA/g）

图6 “线管”二氧化钛-锡@碳纤维的储锂/钠性能综合评估

(a) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维在100 mA/g电流密度下的储锂性能；

(b-c) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维、核壳二氧化钛-锡@碳纤维、锡@碳纤维、纯碳纤维储锂/钠性能对比；

(d) 二氧化钛厚度分别为5 nm、10 nm、15 nm的“线管”二氧化钛-锡@碳纤维的储锂比容量和稳定性；

(e) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维在不同电流密度下的储锂性能；

(f) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维作为锂/钠离子电池200次循环后的阻抗谱及相应阻抗模拟电路。

图7 “线管”二氧化钛-锡@碳纤维高稳定性分析

(a-b) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维作为锂离子电池负极循环200次后的扫描电镜图片；

(c) “线管”二氧化钛-锡@碳纤维作为锂离子电池负极循环200次后的高分辨率透射电镜图片。

【小结】

类“电线管”结构二氧化钛-锡@碳纤维中，碳纤维将锡包覆并固定，有效避免了锡颗粒的脱落，保障电化学反应所需电子传导速率；二氧化钛壳层将锡与电解液隔离，为锡颗粒的膨胀提供空间，且极大程度上避免了锡颗粒因体积效应而粉碎、脱落，从而使该材料在储锂/钠兼具高容量和长循环寿命等优势。

原文链接：Pipe-Wire TiO₂–Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries（Nano Lett.，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01152）

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