Materialien auf Titanbasiswurden im Bereich wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer stabilen Struktur, hervorragenden Zyklenleistung, reichlich vorhandener Krustenressourcen, geringer Kosten und Ungiftigkeit umfassend untersucht. Da die Wirkmechanismen von Natrium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien ähnlich sind, werden bei der Erforschung von Elektrodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien auch Materialien auf Titanbasis häufig verwendet. Darüber hinaus weisen Materialien auf Titanbasis in Natriumionenbatterien eine niedrigere Lade- und Entladespannungsplattform auf, was in ihrer Anwendungsforschung im Bereich der negativen Elektroden große Aufmerksamkeit erregt hat. Derzeit konzentrieren sich die Forschungsschwerpunkte bei Materialien auf Titanbasis hauptsächlich auf Materialien wie Titandioxid, Lithiumtitanat, Natriumtitanat und Natriumtitanphosphat. In den letzten Jahren bestand die relevante Arbeit der Forscher hauptsächlich in der Erforschung des Oxidations-/Reduktionsmechanismus und der Optimierung der elektrochemischen Leistung von negativen Elektrodenmaterialien auf Titanbasis. In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die grundlegenden Eigenschaften und Kristallstrukturen mehrerer negativer Elektrodenmaterialien auf Titanbasis vorgestellt und die Modifikationsforschung, die elektrochemische Leistung und der Natriumspeichermechanismus der Materialien erläutert.
Negatives Elektrodenmaterial TiO2
Titandioxid hat als typisches eingebettetes negatives Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien aufgrund seiner Vorteile wie stabiler Struktur, Ungiftigkeit, niedrigem Preis und reichlich vorhandener Materialien große Aufmerksamkeit erregt. Ti02 besteht aus Ti06-Oktaedern und Ti4+. Die Polymorphie von Ti02 hängt mit dem Verbindungsmodus des Ti06-Oktaeders zusammen. Die aktuellen Forschungstypen umfassen hauptsächlich Anatas-, Rutil-, Bronze- und Brookittypen sowie Kristallstrukturen. Rutil Ti02 ist ein tetragonales Kristallsystem. Das Ti-Atom befindet sich in der Mitte des Gitters und die sechs Sauerstoffatome befinden sich an den Ecken des Oktaeders. Jedes Oktaeder ist mit den umliegenden zehn Oktaedern verbunden, von denen acht gemeinsame Ecken und zwei gemeinsame Kanten haben. Jeweils zwei TiO2-Moleküle bilden eine Elementarzelle. Die Struktur von Anatas TiO2 ist ebenfalls ein tetragonales Kristallsystem, bei dem jedes Oktaeder mit den umgebenden acht Oktaedern verbunden ist, von denen vier gemeinsame Kanten und vier gemeinsame Ecken haben. Vier Ti02 bilden eine Elementarzelle. Brookite TiO2 gehört zum orthorhombischen System. Sechs TiO2 bilden eine Elementarzelle und die Struktur ist instabil. Daher kommt Brookit-TiO2 in der Natur relativ selten vor. Unter diesen Kristallphasen ist die Rutilphase die stabilste. Anatas- und Brookit-TiO2 können durch eine irreversible exotherme Reaktion nach Erhitzen auf hohe Temperaturen in die Rutilphase umgewandelt werden. Obwohl der Radius von Na+ größer ist als der von Li+, da die Aktivierungsbarriere von Na, eingebettet in das Anatas-Gitter, fast die gleiche ist wie die von Li, konzentrieren sich die meisten Forschungsergebnisse auf Anatas-TiO2. Darüber hinaus ist natürliches Anatas-TiO2 unter den verschiedenen Kristallformen von TiO2 eine der frühesten Hauptstrukturen für die Li-Einbettung.
Obwohl TiO2 viele Vorteile wie einen niedrigen Preis und eine stabile Struktur hat, weist es bei der Verwendung in der negativen Elektrode von Natriumionenbatterien immer noch viele Nachteile auf. Da beispielsweise Ti4+ in TiO2 keine d-Elektronen aufweist, sind alle TiO2-Kristallformen elektronische Isolatoren, was die elektrochemische Leistung von TiO2 in Natriumionenbatterien stark einschränkt. Gleichzeitig ist seine Natriumspeicherleistung aufgrund einiger Mängel von TiO2 selbst, gepaart mit dem großen Na+-Radius und der langsamen Übertragungsrate, ebenfalls nicht ideal. Daher konzentrieren sich viele aktuelle Studien zu TiO2 auf die Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit und Ionenleitfähigkeit von TiO2 durch Material-Nanogrößenbestimmung, Grenzflächenmodifikation, Ionendotierung, verschiedene Arten von C-Verbundwerkstoffen sowie Morphologie- und Strukturoptimierung.
Amorphes TiO2 wird als negatives Elektrodenmaterial in Natrium-Ionen-Batterien verwendet. Amorphe TiO2-Nanoröhren werden direkt auf Titanfolie gezüchtet und das erhaltene Material wird als negative Elektrode von Natriumionenbatterien verwendet. Die reversible spezifische Kapazität kann 150 mAh·g-1 erreichen und die Batterie verfügt über eine hervorragende Zyklenleistung.
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