Materiali a base di titaniosono state ampiamente studiate nel campo delle batterie ricaricabili agli ioni di litio grazie alla loro struttura stabile, alle eccellenti prestazioni del ciclo, alle abbondanti risorse crostali, al basso costo e alla non tossicità. Poiché i meccanismi di funzionamento delle batterie agli ioni di sodio e delle batterie agli ioni di litio sono simili, anche i materiali a base di titanio sono stati ampiamente utilizzati nella ricerca sui materiali degli elettrodi delle batterie agli ioni di sodio. Inoltre, i materiali a base di titanio hanno una piattaforma di tensione di carica e scarica inferiore nelle batterie agli ioni di sodio, che ha attirato molta attenzione nella loro ricerca applicativa nel campo degli elettrodi negativi. Allo stato attuale, i punti caldi della ricerca sui materiali a base di titanio si concentrano principalmente su materiali come il biossido di titanio, il titanato di litio, il titanato di sodio e il fosfato di sodio e titanio. Negli ultimi anni, il lavoro rilevante dei ricercatori è stato principalmente quello di esplorare il meccanismo di ossidazione/riduzione e l’ottimizzazione delle prestazioni elettrochimiche dei materiali degli elettrodi negativi a base di titanio. Questa sezione introduce principalmente le proprietà di base e le strutture cristalline di diversi materiali per elettrodi negativi a base di titanio e spiega la ricerca sulle modifiche, le prestazioni elettrochimiche e il meccanismo di stoccaggio del sodio dei materiali.
Materiale dell'elettrodo negativo Ti02
Il biossido di titanio ha attirato l'attenzione diffusa come tipico materiale per elettrodi negativi incorporati per batterie agli ioni di litio grazie ai suoi vantaggi come struttura stabile, non tossicità, prezzo basso e materiali abbondanti. Ti02 è composto dall'ottaedro Ti06 e dal Ti4+. Il polimorfo di Ti02 è legato alla modalità di connessione dell'ottaedro di Ti06. Gli attuali tipi di ricerca includono principalmente i tipi di anatasio, rutilo, bronzo e brookite, struttura cristallina. Il rutilo Ti02 è un sistema cristallino tetragonale. L'atomo di Ti si trova al centro del reticolo e i sei atomi di ossigeno si trovano agli angoli dell'ottaedro. Ogni ottaedro è collegato ai dieci ottaedri circostanti, otto dei quali condividono gli angoli e due i bordi. Ogni due molecole di Ti02 formano una cellula unitaria. Anche la struttura dell'anatasio Ti02 è un sistema cristallino tetragonale, in cui ciascun ottaedro è collegato agli otto ottaedri circostanti, quattro dei quali condividono i bordi e quattro gli angoli. Quattro Ti02 formano una cella unitaria. Brookite TiO2 appartiene al sistema ortorombico. Sei TiO2 formano una cella unitaria e la struttura è instabile. Pertanto, la brookite TiO2 è relativamente rara in natura. Tra queste fasi cristalline, la fase rutilica è la più stabile. L'anatasio e la brookite TiO2 possono essere trasformati nella fase rutilica attraverso una reazione esotermica irreversibile dopo riscaldamento ad alta temperatura. Sebbene il raggio del Na+ sia maggiore di quello del Li+, poiché la barriera di attivazione del Na incorporato nel reticolo dell'anatasio è quasi la stessa di quella del Li, la maggior parte dei risultati della ricerca sono incentrati sull'anatasio TiO2. Inoltre, tra le varie forme cristalline di TiO2, il TiO2 anatasio naturale è una delle prime strutture principali per l’incorporamento del Li.
Sebbene il TiO2 presenti molti vantaggi, come il prezzo basso e la struttura stabile, presenta ancora molti difetti se utilizzato nell'elettrodo negativo delle batterie agli ioni di sodio. Ad esempio, poiché Ti4+ non ha elettroni d nel TiO2, tutte le forme cristalline di TiO2 sono isolanti elettronici, il che limita notevolmente le prestazioni elettrochimiche del TiO2 nelle batterie agli ioni di sodio. Allo stesso tempo, a causa di alcuni difetti del TiO2 stesso, insieme all'ampio raggio di Na+ e alla velocità di trasmissione lenta, anche le sue prestazioni di stoccaggio del sodio non sono ideali. Pertanto, molti studi attuali sul TiO2 si concentrano sul miglioramento della conduttività elettronica e della conduttività ionica del TiO2 attraverso il nanodimensionamento del materiale, la modifica dell'interfaccia, il drogaggio ionico, diversi tipi di compositi C e l'ottimizzazione della morfologia e della struttura.
Il TiO2 amorfo viene utilizzato come materiale dell'elettrodo negativo nelle batterie agli ioni di sodio. I nanotubi amorfi di TiO2 vengono coltivati direttamente su un foglio di titanio e il materiale ottenuto viene utilizzato come elettrodo negativo delle batterie agli ioni di sodio. La capacità specifica reversibile può raggiungere 150 mAh·g-1 e la batteria ha eccellenti prestazioni di ciclo.
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