来源：材料牛
【引言】
作为锂离子电池(LIBs)替代品的镁离子电池(MIBs)已显示出下一代电化学储能技术的巨大优势。与锂相比，镁资源丰富、易于开采，具有巨大的成本优势。由于Mg2+的二价性质，与锂(2046 mAh·cm-3)相比，镁具有高达3833 mAh·cm-3的体积容量。最重要的是，与锂和钠金属负极不同，镁金属可以在周围环境中安全地处理，并且在沉积时无枝晶生长，表明在实际应用中具有更高的安全性。然而，缺乏合适的嵌入式正极材料仍然是该领域面临的一大瓶颈。为了充分发挥正极和负极的优势，混合离子电池是一种富有前景的选择。镁锂混合离子电池(MLIBs)已证明是一种有前景的能量储存技术，然而作为可充电MLIBs的类似物，对低成本镁钠混合离子电池(MSIBs)的研究非常有限。NASICON结构的NaTi2(PO4)3(NTP)可作为高Na+导电性、低成本和环境相容性的SIB电极。由于1.7 V(相对于Mg/Mg2+)的适当电位，作为镁钠混合离子电池的正极，NTP将显示出巨大的应用潜力。
【成果简介】
近日，武汉理工大学麦立强教授、安琴友副研究员(共同通讯作者)等首次以一种新型NaTi2(PO4)3纳米线团簇(NTP-NW/C)作为混合镁钠离子电池(MSIBs)正极，并在Nano Energy上发表了题为“Novel NaTi2(PO4)3 Nanowire Clusters as High Performance Cathodes for Mg-Na Hybrid-ion Batteries”的研究论文。结合NTP纳米线和均质碳框架的优势，新颖的三维分级结构赋予NTP-NW/C离子传输路径短、电荷转移快以及钠化/脱钠过程中的结构稳定性。结果，混合MSIB显示出良好的电化学性能：在1 C下具有124 mAh·g-1的高可逆容量、良好的倍率性能(在10 C下60 mAh·g-1)和循环稳定性(100次循环后容量在5 C下保持为97 %)。上述新颖的设计有望在大规模储能器件中得到应用。
【图文简介】
图1 MSIBs以及分级NTP-NW/C纳米线簇的示意图
a) Mg-Na混合电池(MSIBs)的示意图；
b) 具有稳定框架、快速Na+扩散和连续e-途径的碳包覆分级NTP-NW/C纳米线簇的示意图。
图2 分级纳米线簇前驱体的形貌演化
a-d) 通过调节溶剂热反应时间(2/4/6/8 h)制备的NTP纳米线簇前体的FESEM图像；
e) 分级纳米线簇前驱体形貌演化的示意图。
图3 NTP-NW/C的结构分析和形态表征
a) NTP-NW/C的XRD衍射谱图；
b,c) NTP-NW/C的FESEM图像；
d,e) NTP-NW/C的TEM图像；
f) NTP-NW/C的HRTEM图像；
g) NTP-NW/C的EDS元素分布图像。
图4 NTP-NW/C电极的电化学性能
a) 1 C下NTP-NW/C和NTP-P/C介于0.5和1.8 V之间的充/放电曲线；
b) 1 C下NTP-NW/C和NTP-P/C的循环性能；
c) NTP-NW/C和NTP-P/C的倍率性能；
d) NTP-NW/C不同倍率下的充/放电曲线；
e) NTP-NW/C和NTP-P/C在5 C下的循环性能；
f) NTP-NW/C在0.5-1.8V之间的GITT曲线；
g) GITT电位响应曲线随时间的变化；
h) 扩散率随放电状态的变化。
图5 混合电池体系的电荷储存行为探究
a) 1 C放电过程中，1.5-3.0V电压范围内Na离子半电池中NTP-NW/C的原位XRD图谱；
b) 1 C放电过程中，0.5-1.8 V电压范围内Mg-Na混合电池系统中NTP-NW/C的原位XRD图谱。
【小结】
综上所述，作者成功组装了以NASICON型NTP-NW/C纳米线簇作为正极以及不含枝晶的Mg金属作为负极的高性能MSIB。结合NTP纳米线和均质碳骨架的优势，新型三维分层结构赋予NTP-NW/C离子传输路径短、电荷转移快以及钠化/脱钠过程中的结构稳定性。结合上述纳米结构特征，该混合MSIB系统具有优越的电化学性能：1 C时124 mAh·g-1的高可逆容量、良好的倍率性能(10 C时60 mAh·g-1)以及长循环寿命(100次循环后5 C下容量保持为97 %)。作者的工作表明，新型3D分级NTP-NW/C是一种非常有前景的高性能MSIB电极，相信这一新颖的策略可用于开发大规模储能应用。
文献链接： Novel NaTi2(PO4)3 Nanowire Clusters as High Performance Cathodes for Mg-Na Hybrid-ion Batteries (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.10.033)
本文由材料人编辑部新能源小组abc940504【肖杰】编译整理
