В качестве электродов микробатарей, как правило, используются мезопористые слои, нановолокна, наносферы оксида титана различного химического и фазового состава. Исследования свойств нанотрубчатого анодного оксида титана TiO2 показали перспективность его применения в качестве анодного электрода для натрий-ионных аккумуляторов. В работе предложен метод модификации нанотрубчатого анодного TiO2 с удалением внутреннего слоя нанотрубок с помощью вытравливания в смеси серной кислоты и перекиси водорода. Показано, что внутренний мезопористый слой нанотрубок препятствует внедрению и экстракции ионов натрия в структуру нанотрубчатого анодного TiO2. Исследования с помощью циклической вольтамперометрии показали, что после удаления внутреннего слоя нанотрубок появляются анодные и катодные пики, отвечающие за экстракцию и внедрение ионов натрия соответственно. Установлено, что ионы натрия не встраиваются в кристаллическую решетку образца нанотрубчатого анодного TiO2 после вытравливания внутреннего слоя, что указывает на обратимость процесса внедрения ионов. Исследования показали, что нанотрубчатый анодный TiO2 может применяться в качестве анодного электрода в ионных аккумуляторах и микробатареях благодаря электрохимическим характеристикам и возможности различной модификации нанотрубчатого массива TiO2.
-
Ключевые слова:
анодный оксид титана, натрий-ионные аккумуляторы, электрохимические элементы, наноструктуры
-
Опубликовано в разделе:
Mатериалы электроники
-
Библиографическая ссылка:
Дронова Д. А., Дронов А. А. Исследование электрохимических свойств анода натрий-ионного аккумулятора на основе нанотрубчатого анодного TiO2 // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 17–23. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-17-23
-
Источник финансирования:
работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-33-90287) и в рамках государственного задания № FSMR-2023-0003
1. Grey C., Tarascon J. Sustainability and in situ monitoring in battery development // Na-ture Mater. 2017. Vol. 16. P. 45–56.
https://doi.org/10.1038/nmat4777
2. Xiang X., Zhang K., Chen J. Recent advances and prospects of cathode materials for so-dium-ion batteries // Adv. Mater. 2015. Vol. 27. Iss. 36. P. 5343–5364.
https://doi.org/10.1002/adma.201501527
3. Hwang J.-Y., Myung S.-T., Sun Y.-K. Sodium-ion batteries: present and future // Chem. Soc. Rev. 2017. Vol. 46. Iss. 12. P. 3529–3614.
https://doi.org/10.1039/C6CS00776G
4. Chen J., Cheng F. Combination of lightweight elements and nanostructured materials for batteries // Acc. Chem. Res. 2009. Vol. 42. Iss. 6. P. 713–723.
https://doi.org/10.1021/ar800229g
5. The toxicity of lithium to human cardiomyocytes / J. Shen, X. Li, X. Shi et al. // Environ. Sci. Eur. 2020. Vol. 32. Art. No. 59.
https://doi.org/10.1186/s12302-020-00333-6
6. A comprehensive investigation on the thermal and toxic hazards of large format lithium-ion batteries with LiFePO4 cathode / Y. Peng, L. Yang, X. Ju et al. // Journal of Hazardous Ma-terials. 2020. Vol. 318. Art. No. 120916.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120916
7. Toxicity identification and evolution mechanism of thermolysis-driven gas emissions from cathodes of spent lithium-ion batteries / Y. Chen, N. Liu, Y. Jie et al. // ACS Sustainable Chem. Eng. 2019. Vol. 7. Iss. 22. P. 18228–18235.
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b03739
8. Exploring competitive features of stationary sodium ion batteries for electrochemical energy storage / T. Liu, Y. Zhang, Zh. Jiang et al. // Energy Environ. Sci. 2019. Vol. 12. Iss. 5. P. 1512–1533.
https://doi.org/10.1039/C8EE03727B
9. Carbon-coated Na3.32Fe2.34(P2O7)2 cathode material for high-rate and long-life sodium-ion batteries / M. Chen, L. Chen, Z. Hu et al. // Adv. Mater. 2017. Vol. 29. Iss. 21. Art. No. 1605535.
https://doi.org/10.1002/adma.201605535
10. TiO2-Sn/C composite nanofibers with high-capacity and long-cycle life as anode mate-rials for sodium ion batteries / S. Nie, L. Liu, J. Liu et al. // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 772. P. 314–323.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.044
11. Babu B., Shaijumon M. M. Understanding how degree of crystallinity affects electro-chemical kinetics of sodium-ion in brown TiO2 nanotubes // ChemElectroChem. 2021. Vol. 8. Iss. 12. P. 2180–2185.
https://doi.org/10.1002/celc.202100047
12. Ti3+ induced brown TiO2 nanotubes for high performance sodium-ion hybrid capacitors / B. Babu, S. G. Ullattil, R. Prasannachandran et al. // ACS Sustainable Chem. Eng. 2018. Vol. 6. Iss. 4. P. 5401–5412.
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b00236
13. Galstyan V., Macak J. M., Djenizian T. Anodic TiO2 nanotubes: A promising material for energy conversion and storage // Applied Materials Today. 2022. Vol. 29. Art. No. 101613.
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101613
14. Investigation of anodic TiO2 nanotube composition with high spatial resolution AES and ToF SIMS / A. Dronov, I. Gavrilin, E. Kirilenko et al. // Applied Surface Science. 2018. Vol. 434. P. 148–154.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.132
15. Differences in the local structure and composition of anodic TiO2 nanotubes annealed in vacuum and air / I. Gavrilin, A. Dronov, R. Volkov et al. // Applied Surface Science. 2020. Vol. 516. Art. ID: 146120.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146120
16. An insight of sodium-ion storage, diffusivity into TiO2 nanoparticles and practical reali-zation to sodium-ion full cell / S. Ghosh, V. K. Kumar, S. K. Kumar et al. // Electrochimica Ac-ta. 2019. Vol. 316. P. 69–78.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.05.109