新型钠离子电池负极材料

近二十年来，锂离子电池(LIB)在智能手机、笔记本电脑等移动电子产品中得到了广泛应用^[1]。然而，对于需要大规模电力存储的应用，如电网存储，锂电池的高成本已成为一个主要障碍。锂电池的高成本部分是由于使用了相对贵重的金属，如锂、钴和镍。这种原材料成本不可能随着生产工艺的优化和产量的增长而降低。因此，低成本、高能量密度和高功率密度的替代储能技术正在被积极考虑。

钠离子电池(SIB)是一种新兴的低成本储能技术。与LIB相比，有两个主要因素可以显著降低SIB的成本。首先，地壳中钠的天然丰度是锂的1000倍，而且钠资源的分布不像锂资源那样受地质限制。其次，在SIB中，可以使用更便宜和更轻的铝箔作为阳极侧的集流器而在LIBs中必须使用昂贵和沉重的铜箔作为阳极，这既降低了成本，又有助于提高能量密度。

图1. 0C、20C、33C样品在700°C -10h合成条件下，20C样品在700°C合成10h, 950°C合成2h的XRD谱图^[1]

NaAlTi₃O₈是一种已知的化合物，已经研究了它的热膨胀性能。采用化学计量量的Na₂CO₃、Al₂O₃和锐钛矿- TiO₂，通过固相反应合成了NaAlTi₃O₈样品。考虑到许多Ti⁴⁺钛酸盐具有较低的电子导电性，将蔗糖混合到起始材料中形成碳涂层，广泛用于LiFePO₄等低导电性材料。

起始原料中蔗糖含量为0wt%、20wt%、33wt%的样品分别记为0℃、22℃、33℃。将混合物以400 rpm的转速球磨1小时，压成颗粒。将球团在700℃氩气下煅烧10 h或700℃- 10 h, 950℃- 2 h，将合成样品的球团磨成粉末，进行x射线衍射(XRD)分析。在700℃下烧结10h得到的0℃、20℃、33℃样品均与PDF#52-1310 Na₂Al₂Ti₆O₁₆具有相同的图案，如图1所示。0C样品呈白色，正如大多数Ti⁴⁺氧化物所预期的那样，表明其固有的绝缘性能不利于电化学循环。

700℃蔗糖的分解在NaAlTi₃O₈颗粒表面形成均匀的碳涂层，使20C和33C样品颜色非常深。另一方面，碳涂层没有改变样品的结晶度和晶粒尺寸，从0℃、20℃和33℃样品的XRD峰宽度可以看出。图2也显示了20C样品在不同焙烧条件下的对比，分别是700°C焙烧10h和700°C焙烧10h和950°C焙烧2h。两种样品都得到了纯相的NaAlTi3O8，但700°C - 950°C样品的峰更尖锐，表明在更高温度下结晶度更好，粒度更大。

此外，与700°C样品相比，700°C - 950°C样品的颜色较浅，可能是由于在较高温度下碳的损失。

图2. 0C试样在50℃~ 950℃加热时的原位XRD。^[1]

[1] Ma, Xuetian; An, Ke; Bai, Jianmin; Chen, Hailong (2017). NaAlTi3O8, A Novel Anode Material for Sodium Ion Battery. Scientific Reports, 7(1), 162.

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