TiO2具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、離子傳導(dǎo)特性和循環(huán)性能，是一種有很好應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)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(yīng)用的重要原因。針對這個問題，武漢理工大學(xué)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(jìn)行煅燒，用這種簡單的、低成本的、可規(guī)模化生產(chǎn)的方法制備了一種雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的TiO2/SiOx混合材料，并用于鋰離子電池的負(fù)極材料。

在這種雙連續(xù)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成雙連續(xù)的“互穿”結(jié)構(gòu)，研究人員利用透射電鏡三維重構(gòu)技術(shù)對這種材料的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn)。隨后，他們利用先進(jìn)的原位透射電子顯微鏡表征技術(shù)，揭示了TiO2/SiOx雙連續(xù)復(fù)合物的“互致穩(wěn)定(Mutual- stabilizing effect)”效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力。

這種“互致穩(wěn)定”效應(yīng)定義為：其中一相體積膨脹產(chǎn)生的作用力與另一相膨脹產(chǎn)生的作用力方向相反，從而互相抵消。這種特性補(bǔ)償了整個材料的體積膨脹，加強(qiáng)了材料在循環(huán)過程的結(jié)構(gòu)完整性。除此之外，他們還對這種材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)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(guān)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(xué)余若瀚為論文的作者，周亮教授、吳勁松教授、麥立強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計和電子顯微學(xué)表征

Figure 2 亞10nm 雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)解析

Figure 3 TiO2/SiOx雜化體負(fù)極材料的電化學(xué)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(jié)構(gòu)的亞10 nm TiO2/SiOx雜化物，其中橋接的異構(gòu)TiO2納米互穿于蠕蟲狀SiOx網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)TiO2/SiOx作為鋰離子電池負(fù)極材料時，其表現(xiàn)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(yīng)，在鋰化過程中通過豐富的界面來緩解應(yīng)力。TiO2/SiOx復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的體積膨脹效應(yīng)和堅固的結(jié)構(gòu)完整性。本工作表明合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以為下一代高容量、長壽命鋰離子電池負(fù)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(yīng)過程中負(fù)極材料的體積膨脹率和結(jié)構(gòu)完整特性，為“互致穩(wěn)定”的行為提供直接證據(jù)，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