鈉離子電池（SIB）是一種很有前景的大規模電化學儲能系統，因為它與鋰離子電池相比具有出色的成本優勢。然而，缺乏高安全性、低成本、長壽命的負極材料阻礙了其實際發展。

北京航天航天大學李典森等報道了一種含有氧空位（OVs）的鈦酸鈉/二氧化鈦/C（C-NTC）異質結構復合材料，并將其應用于SIB的負極。

圖1. C-NTO和C-NTC微球的合成路線示意圖

具體而言，作者通過鈦酸鹽的原位拓撲轉換過程制備了具有豐富氧空位的銳鈦礦/鈦酸鹽異質結構（C-NTC）。與以往的文獻報道不同，這里選擇了tris buffer緩沖液和鹽酸多巴胺（PDA）作為離子交換介體，而不是硝酸溶液。其優點是PDA可以原位涂覆在生成的鈦酸鹽表面，在最后的高溫處理過程中可以同時形成TiO₂和NC（氮摻雜碳），并且這個實驗過程是安全、綠色、無毒的。TiO₂和NC之間的相互作用以及TiO₂和Na₂Ti₂O₅（NTO）之間的界面接觸確保了有效的離子/電子傳輸。此外，熱解過程中鈦酸鹽和二氧化鈦之間的原位相變將產生可控的二氧化鈦/鈦酸鹽異質結構。因此，精確構建的銳鈦礦/鈦酸鈉異質結構電極表現出優異的儲鈉能力、倍率性能和超長的循環壽命。

圖2. 電化學測試和儲鈉機制

研究顯示，C-NTC電極在5 A g^-1下經過35000次循環后可提供92.6 mAh g^-1的高比容量（100%容量保持），并在與Na-金屬負極結合測試時在20 A g^-1下提供了54 mAh g^-1的優異倍率性能。此外，以C-NTC為負極、Na₃V₂(PO₄)₃@C-BN為正極組裝的SIB全電池也表現出高達5500次的使用壽命。

電化學動力學測試和密度泛函理論測量證實，異質結構和OVs的協同效應加速了離子/電子轉移動力學，穩定的框架結構和固體電解質界面層確保了長循環壽命。此外，原位X射線光子光譜顯示，通過歧化反應產生的Ti⁰可能是導致鈦基氧化物性能下降的原因，這為設計具有超長循環壽命的鈦基電極提供了獨特的見解和指導。

圖3. 儲鈉動力學分析

Interface and Defect Engineered Titanium-Base Oxide Heterostructures Synchronizing High-Rate and Ultrastable Sodium Storage. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201531