TiNb₂O₇ 及其类似物作为电极材料在高性能电化学储能器件中的应用

来源：RSC英国皇家化学会

近日，厦门大学张桥保副教授受邀在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表综述，详细总结了各种微/纳米结构 TiNb2O7 及其类似物电极材料电化学性能优化的策略及其在高性能锂/钠离子电池，杂化超级电容器及钒液流电池的应用进展和未来展望。本篇综述入选 2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators 特邀专刊，在此我们特别祝贺张桥保副教授！

锂离子电池作为一种高效电化学储能器件，由于其优异的性能目前被广泛应用与便携式电子设备中，而且近来也已被广泛应用于混合动力电动汽车和大规模储能系统。作为锂离子电池的核心组成部分，电极材料极大程度上决定了锂离子电池的综合电化学性能，因此设计和开发具有高比容量、低成本、长循环和高安全性的先进锂离子电池电极材料是提升锂离子电池电化学性能的关键。目前商业化的锂离子电池的负极材料主要是石墨和钛酸锂，但两者不能同时满足动力锂离子电池对高能量密度和高安全性的需求。石墨电极在嵌脱锂过程中易形成锂枝晶造成电池内部的短路，引发爆炸等不安全因素。钛酸锂虽然是一种“零应变材料”，具备优异的循环性能、高倍率性能和安全性能，但是较低的理论比容量限制了其发展。近年来，铌基氧化物作为较高容量的负极材料受到了广泛关注，并有望替换钛酸锂作为锂离子电池商用负极，其中研究最为集中、最为广泛的是 TiNb2O7 及其相关类似物(如 Ti2Nb10O29，TiNb6O17，TiNb24O62，Ti2Nb2O9 等)。作为典型的嵌入反应负极材料，TiNb2O7 及其类似物不仅在循环稳定性和安全性方面具有与传统钛酸锂负极材料的优势，而且具有相对更高的理论容量（388-399 mAh/g）和较高的工作电势(〜1.6 V vs. Li+/ Li)，可以有效避免 SEI 膜和锂枝晶的形成。这些出色的性能，包括较高的比容量、优异的循环性能和高安全性能，使得TiNb2O7 及其类似物有望成为下一代锂离子电池潜在的商用负极材料。然而，TiNb2O7 及其类似物普遍存在较差的电导率和锂离子扩散速率，严重阻碍了其实际应用。近年来大量的研究表明，通过利用不同的合成策略和设计各种合理的微米/纳米结构 TiNb2O7 及其类似物电极，可以有效提高其电子和离子电导率，从而改善其电化学性能。这些研究对设计高性能的铌基锂离子电池负极以及电化学性能优化有重要的指导意义。由于结构上的特征，相较于目前的石墨负极（较差的倍率性能）、硅基负极（较差的循环稳定性）和Li4Ti5O12（较低的比容量），TiNb2O7 及其类似物集成了较高比容量、优异倍率、超长寿命和极高安全性等优点。目前来看，尽管 TiNb2O7 及其类似物可能不是高能量密度可充电池的优选负极材料，但它们有望在某些特殊领域（例如便携式军事设备、航空航天领域等）中成为应用的有力候选对象。

基于此，厦门大学张桥保副教授，西安交通大学王红康副教授和成永红教授等近期在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表了综述。通过回顾近年来的最新研究进展，对不同类型微/纳米结构 TiNb2O7 及其类似物负极材料的合成策略、结构特征、电荷存储机制和电化学性能进行了详细的归纳总结，并讨论了其在各种电化学储能器件(如锂/钠离子电池、混合超级电容器和钒液流电池)中的应用，该综述对于开发高性能微/纳米结构 TiNb2O7 及其类似物负极材料在电化学储能器件中的应用具有重要的指导意义。最后，作者总结了各种微米/纳米结构 TiNb2O7 及其类似物在电化学储能器件应用中所面临的挑战并提出了其未来研究的发展方向。

本篇综述涵盖了以下内容：

TiNb2O7 的晶体结构及其作为锂离子电池负极材料的储锂机制

合成策略和结构工程(如维度/形态控制、异质元素及组分的掺杂/杂化、以及碳包覆/复合等)与 TiNb2O7 负极材料的电化学性能间的构效关系

TiNb2O7 的类似物（如Ti2Nb10O29，TiNb6O17，TiNb24O62，Ti2Nb2O9）作为锂离子电池负极材料的构效关系及电化学性能

Ti-Nb-O 基的不同复合材料和各种微/纳米结构电极在钠离子电池、混合超级电容器和钒液流电池中的电化学性能及应用。

最后，作者指出了 TiNb2O7 及其类似物电极材料在储能器件中所面临的主要问题(包括其低电子电导率、较差的离子扩散系数、有限的铌金属资源及其较高的嵌锂电位等)，并从储能机理、电极结构调控和实际应用等方面对其未来的发展方向给出了合理的建议和解决方案。