水素-窒素プラズマを用いたナトリウムイオン電池用負極材としての性能を向上させた酸化チタンの合成に成功しました

Hydrogen-nitrogen plasma assisted synthesis of titanium dioxide with enhanced performance as anode for sodium ion batteries.

• Hongmei Wang
• Jie Xiong
• Xing Cheng
• Ge Chen
• Thomas Kups
• Dong Wang
• Peter Schaaf

抄録

ナトリウムイオン電池は、ナトリウムが自然に豊富に含まれていることから、リチウムイオン電池と同様に最も有望なエネルギー貯蔵デバイスの一つと考えられています。TiOは、無毒性で安全性が高く、安定性に優れていることから、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池の負極材料として非常に人気がありますが、電子伝導度が低く、ナトリウムイオンの拡散性に劣ることから、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池の負極材料として最適な材料となっています。しかし、電子伝導度が低く、ナトリウムイオンの拡散性に劣ることから、先進的なTiO負極材の開発が大きな課題となっています。そのため、ヘテロ原子のドーピングや欠陥の導入は、TiOアノードの電気化学的性能を向上させるための大きな方法であると考えられています。本研究では、市販のTiO(P25)ナノ粒子を水素と窒素の高出力プラズマにより修飾し、無秩序な表面層の形成と窒素ドーピングを行った。その結果、水素-窒素プラズマ処理後のH-N-TiO電極は、400サイクルの長期充放電プロセスでP-TiO電極よりも43.5%高い容量を示し、良好なロングサイクル安定性を示した。さらに、水素-窒素プラズマ処理したTiO電極は、原始材料よりも早く安定した高いクーロン効率に到達した。高分解能TEM像とXPSの結果から、プラズマ処理後に形成された表面層には、欠陥(酸素空孔)やN-ドーピングが結晶構造中に導入され、電気化学的性能の向上に寄与していることが明らかになった。

Sodium ion batteries are considered as one of the most promising energy storage devices as lithium ion batteries due to the natural abundance of sodium. TiO is very popular as anode materials for both lithium and sodium ion batteries because of the nontoxicity, safety and great stabilities. However, the low electronic conductivities and inferior sodium ion diffusion make it becoming a great challenge to develop advanced TiO anodes. Doping heteroatoms and incorporation of defects are believed to be great ways to improve the electrochemical performance of TiO anodes. In this work, commercial TiO (P25) nanoparticles was modified by hydrogen and nitrogen high-power plasma resulting in a disordered surface layer formation and nitrogen doping as well. The electrochemical performances of the samples as anode materials for sodium ion batteries was measured and the results indicated that after the hydrogen-nitrogen plasma treatment, H-N-TiO electrode shows a 43.5% of capacity higher than the P-TiO after 400 cycles long-term discharge/charge process, and the samples show a good long cycling stability as well, the Coulombic efficiencies of all samples are nearly 99% after 50 cycles which could be sustained to the end of long cycling. In addition, hydrogen-nitrogen plasma treated TiO electrode reached the stable high Coulombic efficiency earlier than the pristine material. High resolution TEM images and XPS results indicate that there is a disordered surface layer formed after the plasma treatment, by which defects (oxygen vacancies) and N-doping are also introduced into the crystalline structure. All these contribute to the enhancement of the electrochemical performance.