鉴于钠资源的天然丰富性，钠离子电池受到越来越多的关注。然而，其缓慢的嵌钠动力学是开发具有高倍率性能和高能量密度钠离子电池的一项严重挑战。

有鉴于此，郑州轻工业学院方少明教授，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授报道了在介孔TiO₂@C空心纳米球内部构建了垂直排列的具有片状球形纳米结构的2D二氧化钛-碳超晶格（2D UNs⊂MT@C）。

文章要点

1）研究人员首先将SiO₂纳米球用作模板，并用十六烷基胺（HDA）-二氧化钛低聚物复合材料均匀涂覆。HDA分子中的氨基可通过氢键作用与二氧化钛低聚物相互作用，缩合成致密的非晶态无机有机壳（aTiO₂/HDA）。在随后的溶剂热过程中，致密的无定形外壳逐渐演变为中孔晶体结构，同时去除了HDA。在涂覆一层聚多巴胺(PDA)后，得到的中间产物进一步退火，然后去除SiO₂核。最后，在中空TiO₂/碳纳米球中垂直包裹具有阶梯状形貌的2D UNs的分级纳米结构（2D UNs⊂MT@C）。

2）超薄的2D超晶格由有序交替的二氧化钛和碳的单分子层组成，使得电子和Na⁺能够快速传输的互穿路径，以及用于Na⁺存储的2D异质界面。动力学分析表明，二维异质界面和介孔的结合导致了一种插层赝电容电荷储存机制，从而触发了超快嵌钠动力学行为。

3）原位透射电子显微镜成像和原位同步加速器X射线衍射技术表明，球状板状结构可以保持良好的力学和晶体结构稳定性，在0.2 C下的500次循环中，钠离子电池具有超高的倍率性能和显著的循环稳定性，其容量衰减率仅为0.04%，此外，在50 ℃下的循环能力高达20000次，具有极高的长期循环稳定性。

该研究工作提供了一种通过设计层次化纳米结构来实现具有高功率密度和长期循环稳定性的电池的策略。

Qingbing Xia, et al, Confining Ultrathin 2D Superlattices in Mesoporous Hollow Spheres Renders Ultrafast and High-Capacity Na-Ion Storage, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202001033

https://doi.org/10.1002/aenm.202001033