針對鈦基材料在能量?jì)Υ孢^(guò)程中存在電子導電性差、倍率性能不足等問(wèn)題，通過(guò)晶面調控、缺陷引入和低維設計等方法，取得了系列創(chuàng )新性的進(jìn)展，獲得了長(cháng)壽命、
低成本和高安全性的鈦基負極材料。結合理論計算，揭示了晶面結構、缺陷引入和低維微/鈉結構與材料能帶間隙、嵌鋰/鈉能壘和鋰/鈉離子動(dòng)力學(xué)行為間的內在聯(lián)系。
1. 晶面調控：針對鈦基化合物儲鋰/鈉容量小及鋰/鈉離子擴散系數低的問(wèn)題，設計了以?xún)蓚€(gè){001}面和四個(gè){100}面為暴露晶面的單晶立方體，提高了鋰/鈉離子在材
料表面嵌入及本體中遷移速率，實(shí)現了高的首次效率、大的平臺容量大 及優(yōu)異的循環(huán)穩定性，構造了利于鋰/鈉離子脫嵌的具有獨特孔道結構的鈦基負 極材料。同時(shí)
以鋰/鈉離子在銳鈦礦型 TiO2 中的遷移方式為基礎，基于第一性原 理計算闡明了立方體的四個(gè){100}面為鈉離子嵌入的優(yōu)勢晶面，為制備高容量鈦 基負極材料指明了
方向。
2.缺陷引入：針對鈦基化合物倍率性能差的問(wèn)題，設計了三價(jià)鈦自摻雜的 TiO2，引入了空位缺陷，減小了其能帶間隙，提高了 TiO2 的電子電導率。據此設計的自
摻雜型黑色金紅石 TiO2 顯示了優(yōu)異的倍率性能。通過(guò)理論計算揭示了 自摻雜、空位缺陷、能帶間隙和電子電導率的內在關(guān)系，證實(shí)了缺陷的引入有 效降低了 TiO2 的
嵌鋰/鈉能壘，提供了更多的儲鋰/鈉活性位點(diǎn)。同時(shí)，采用非 金屬元素摻雜引入缺陷設計了氮摻雜的 TiO2/碳量子點(diǎn)復合材料，該方法提高了 TiO2 的鋰/鈉離子動(dòng)力學(xué)
擴散速率和電子電導率，從動(dòng)力學(xué)角度實(shí)現了倍率性能 的顯著(zhù)提升。該研究為設計并構建高能量、功率密度鋰/鈉離子電池鈦基負極復 合材料提供了新的研究思路。
3.低維設計：針對電極材料/電解液界面反應復雜、離子擴散路徑長(cháng)引起的動(dòng)力學(xué)滯后問(wèn)題，構建了系列新型低維微納結構鈦基材料，如 Li4Ti5O12 量子點(diǎn)、TiO2
超細納米棒和橄欖狀碳包覆 TiO2 等材料。此類(lèi)結構縮短了鋰/鈉離子遷移 與電子傳導路徑，增大了其動(dòng)力學(xué)擴散系數。改善了電解液浸潤，提升了電化 學(xué)反應效率。
該研究為設計長(cháng)壽命鋰/鈉離子電池鈦基負極復合材料提供了可行的途徑。
應用前景：
鈦元素分布廣泛，地殼豐度高，鈦基材料儲鋰/鈉穩定性好且安全性高，但其電子導電性差、功率密度低，成果從材料的晶面調控、缺陷引入到形貌結構設計取得了系列創(chuàng )新性進(jìn)展，為制備高容量鈦基負極材料指明了方向，為設計并構建高能量、功率密度鋰/鈉離子電池鈦基負極復合材料提供了新的研究思路，為設計長(cháng)壽命鋰/鈉離子電池鈦基負極復合材料提供了可行的途徑。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域有巨大的應用前景。
成熟度：實(shí)驗室階段
