TiO2具有良好的機械穩(wěn)定性、離子傳導特性和循環(huán)性能，是一種有很好應用前景的鋰離子電池負極材料，但是它的理論容量很低，這也是一直以來阻礙TiO2商業(yè)化應用的重要原因。針對這個問題，武漢理工大學研究人員利用MAX Ti3SiC2陶瓷材料中Ti，Si的原子級分散的特性，將其球磨之后進行煅燒，用這種簡單的、低成本的、可規(guī)模化生產的方法制備了一種雙連續(xù)結構的TiO2/SiOx混合材料，并用于鋰離子電池的負極材料。

在這種雙連續(xù)結構的納米尺度混合材料中，橋連的TiO2納米顆粒密集地排列在蠕蟲狀SiOx網絡結構中，形成雙連續(xù)的“互穿”結構，研究人員利用透射電鏡三維重構技術對這種材料的雙連續(xù)結構進行了確認。隨后，他們利用先進的原位透射電子顯微鏡表征技術，揭示了TiO2/SiOx雙連續(xù)復合物的“互致穩(wěn)定(Mutual- stabilizing effect)”效應，發(fā)現兩種相互插連(互穿)的TiO2和SiOx活性組分通過其豐富的接觸界面，抑制了彼此的體積膨脹，從而減少了應力。

這種“互致穩(wěn)定”效應定義為：其中一相體積膨脹產生的作用力與另一相膨脹產生的作用力方向相反，從而互相抵消。這種特性補償了整個材料的體積膨脹，加強了材料在循環(huán)過程的結構完整性。除此之外，他們還對這種材料的電化學性能進行了測試，發(fā)現這種材料即便含有82wt%的TiO2組分，卻具有高容量，長壽命(～671mAh/g after 580 cycles at 0.1 A/g)，和低體積膨脹（~14%）的增益效果。

相關研究成果以“Constructing Sub 10 nm Scale Interfused TiO2/SiOx Bicontinuous Hybrid with Mutual-Stabilizing Effect for Lithium Storage”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。武漢理工大學余若瀚為論文的作者，周亮教授、吳勁松教授、麥立強教授為論文的共同通訊作者。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10381?fig=tgr1&ref=pdf

Figure 1 TiO2/SiOx雜化體的結構設計和電子顯微學表征

Figure 2 亞10nm 雙連續(xù)結構的三維重構解析

Figure 3 TiO2/SiOx雜化體負極材料的電化學特性

Figure 4 TiO2/SiOx雜化體材料鋰化過程的原位STEM/EELS表征

 在這項工作中，研究人員通過MAX Ti3SiC2陶瓷的簡單氧化過程，利用其天然的Ti/Si原子分散性，合成了一種具有雙連續(xù)結構的亞10 nm TiO2/SiOx雜化物，其中橋接的異構TiO2納米互穿于蠕蟲狀SiOx網絡中。當TiO2/SiOx作為鋰離子電池負極材料時，其表現出“互致穩(wěn)定”的行為，兩個緊密堆積的組分在空間上限制并緩沖彼此的體積效應，在鋰化過程中通過豐富的界面來緩解應力。TiO2/SiOx復合材料表現出良好的體積膨脹效應和堅固的結構完整性。本工作表明合理的結構設計，可以為下一代高容量、長壽命鋰離子電池負極材料的開發(fā)提供了思路。

澤攸科技（ZEPTOOLS）的PicoFemto?系列原位TEM-STM樣品桿在該工作中為研究人員利用原位STEM觀察反應過程中負極材料的體積膨脹率和結構完整特性，為“互致穩(wěn)定”的行為提供直接證據，同時利用原位EELS觀察Li分布和Ti的鋰化前后價態(tài)變化提供了有力支撐。

圖 實驗方法