钠离子电池（SIBs）由于其低成本和丰富的钠储量而成为最有前途的储能技术之一。然而缓慢的动力学和有限的可逆容量是层状钛酸盐在零度以下（subzero-T）具有优异钠离子存储性能的两个主要挑战。

有鉴于此，哈工大王振波教授，玉富达提出了一种分层约束策略，以通过增强离子扩散动力学和降低电荷转移势垒来提高subzero-T 下的SIBs的性能。

文章要点

1）研究人员设计并制备了具有开放骨架的层状H−Ti−O纳米线阵列，作为稳定Sn(II)和抑制随后的体积膨胀的骨架，通过原位X射线衍射和拉曼光谱证实，这种纳米线阵列可以通过高可逆性的联合合金化插层反应，潜在地改善钛酸盐基材料的容量不足问题。此外，Sn(II)的层间合金化反应会引起层间距的扩大，并引入导电剂Na₁₅Sn₄，这有利于离子的快速扩散和更好的电子传递。

2）EELS和DFT计算结果表明，O-2p和Sn-5s轨道的杂化导致Ti/O原子的电荷重新分布和电子离域，进而产生内电场，使禁带宽度变窄。随温变化交流阻抗谱和基于密度泛函理论的从头算分子动力学（AIMD）结果显示，调制可以有效地促进离子扩散动力学，降低电荷转移势垒。

3）结果显示，设计的分层约束的Sn(II)无添加剂负极具有高的可逆容量、良好的倍率性能和长循环稳定性，约为原始样品的1.5倍。此外，subzero-T的电池循环稳定性良好，在−20 °C下循环1200次后容量保持率为91%，在−30°C下循环850次后容量保持率为90%，远远优于未改性的材料。

分层约束策略可以扩展到更多的受限离子、骨架材料和其他储能技术，是提高低温电池性能的一种可行策略。

Lan-Fang Que, et al, Enhancing Na-Ion Storage at Subzero Temperature via Interlayer Confinement of Sn²⁺, ACS Nano, 2020

DOI：10.1021/acsnano.0c05925

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c05925