综述：锐钛矿TiO2作为锂离子电池阳极的材料：关于其可持续合成方法及电化学性能的综述

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Anatase TiO2 as Anode of Lithium-Ion Batteries: A Comprehensive Review on Sustainable Synthesis and Electrochemical Properties

钛酸钡（Anatase TiO?）因其高稳定性、安全性和环保性成为锂离子电池负极材料的理想候选。本文系统综述了其合成方法（如植物提取物、菌体、藻类等绿色合成及工业/农业废料利用）和电化学性能优化策略（纳米结构调控、掺杂改性、复合碳材料、缺陷工程等），重点分析了其高容量（理论值335 mAh/g）与实际容量提升的瓶颈（如低电子/离子迁移率）。研究显示，纳米管、纳米片等结构可提升锂离子扩散速率，而Nb、Mo等金属掺杂及氧空位缺陷工程能增强电子传导。此外，钛酸钡在钠离子电池和全固态电池中的拓展应用潜力显著。最后提出通过绿色合成、水基粘结剂和循环利用技术推动其产业化。

　　钛酸盐作为一种潜在的负极材料，在锂离子电池（LIBs）中的应用引起了广泛关注。其安全性、稳定性和环境友好性使其成为替代传统石墨负极材料的优选方案。本文系统地总结了钛酸盐的可持续合成方法及其电化学性能，同时探讨了其在固态电池和其他离子电池体系中的潜在应用。钛酸盐的合成方法正朝着绿色、环保和低成本的方向发展，而其电化学性能则通过多种策略进行优化，以提高能量密度、循环稳定性和安全性。

在LIBs领域，钛酸盐负极材料的广泛应用主要归因于其独特的结构特性。与传统石墨负极相比，钛酸盐在充放电过程中表现出更低的体积膨胀（<4%），这有助于维持其结构完整性，从而延长电池寿命。此外，钛酸盐的高工作电位（≈1.5 V vs Li/Li?）有效抑制了锂枝晶的形成，降低了极化效应，显著提高了电池的安全性。在某些情况下，钛酸盐的电化学性能还可以通过掺杂和表面改性来进一步优化，从而改善其电子导电性、离子扩散速率和循环稳定性。

钛酸盐的合成方法已从传统的高温化学反应扩展到利用植物提取物、真菌、藻类和细菌等生物方法。这些生物合成方法不仅减少了对有毒化学品和高能耗工艺的依赖，还提高了纳米颗粒的形态和尺寸控制能力。此外，利用工业或农业废弃物作为原料进行合成，进一步提升了钛酸盐材料的生态友好性和经济可行性。例如，某些研究通过在特定条件下将工业废弃物转化为有用的电极材料，降低了生产成本并减少了环境影响。

钛酸盐的电化学行为主要依赖于其结构特性。在锂离子嵌入过程中，钛酸盐表现出一种插入机制，锂离子通过晶格间隙进入其结构中，而不会引起显著的晶格畸变。这一机制使得钛酸盐能够实现较高的锂离子储存能力，同时保持其结构的稳定性。然而，由于钛酸盐本身具有较低的电子导电性（约10?12 S cm?1）和锂离子扩散速率（约10?1? cm2 s?1），其实际应用中仍存在一定的挑战。因此，研究者们开发了多种策略，如纳米结构设计、掺杂、复合材料构建和缺陷工程，以提高钛酸盐的电化学性能。

纳米结构设计是提高钛酸盐电化学性能的重要手段之一。研究表明，将钛酸盐制成纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米针等形态，可以显著增强其电化学活性。这是因为纳米结构能够提供更大的电极-电解质界面，促进锂离子的快速扩散。例如，通过溶胶-凝胶法合成的纳米颗粒在0.1C电流密度下表现出约221 mAh g?1的初始放电容量，并在30次循环后仍能保持82.5%的容量保持率。此外，纳米结构还能够降低锂离子的扩散阻力，从而提升其电化学反应的速率。

掺杂是另一个有效提高钛酸盐性能的策略。金属元素如铌（Nb）、钼（Mo）、锡（Sn）和非金属元素如硼（B）、氮（N）、氟（F）、磷（P）、硫（S）的掺杂，能够显著改善钛酸盐的电子导电性和离子扩散能力。例如，Nb掺杂的钛酸盐能够形成额外的导带态，从而提高其电子导电性。同时，非金属掺杂能够调整钛酸盐的能带结构，促进电荷转移。研究还表明，适当的掺杂量可以优化钛酸盐的电化学性能，使其在高电流密度下仍能保持较高的放电容量和循环稳定性。

复合材料的构建也是提高钛酸盐电化学性能的重要途径。通过将钛酸盐与导电碳材料（如石墨烯、碳纳米管、无定形碳等）复合，可以显著提升其电子导电性并提供机械支撑，以缓解充放电过程中因体积变化引起的结构损伤。例如，钛酸盐/碳纳米管（CNT）复合材料在0.1A g?1电流密度下表现出约302 mAh g?1的初始放电容量，并在400次循环后仍能保持约86.9%的容量保持率。此外，通过构建3D复合结构，如钛酸盐纳米颗粒嵌入石墨烯气凝胶中，可以进一步提升其电化学性能，提高锂离子和电子的传输效率。

缺陷工程和氧空位的引入也是提升钛酸盐电化学性能的关键策略。通过在钛酸盐晶格中引入氧空位（V?），可以显著增强其电子导电性并提供额外的锂离子扩散通道。这不仅能够提高钛酸盐的锂离子扩散速率，还能改善其电化学反应的可逆性。例如，氢化处理能够有效生成氧空位，从而降低钛酸盐的带隙并增强其锂离子储存能力。此外，通过缺陷工程引入的钛（III）离子（Ti3?）可以提升钛酸盐的电化学活性，使其在充放电过程中表现出更好的循环性能。

在固态电池（ASSBs）和其他离子电池系统（如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池和铝离子电池）中，钛酸盐也展现出广阔的应用前景。固态电池因其高安全性和稳定性而备受关注，钛酸盐作为负极材料能够与多种固态电解质（如锂镧锆氧（LLZO）、锂铝钛磷酸（LATP）和锂磷酸铁（LiFePO?））协同作用，提高其离子导电性和循环稳定性。例如，研究发现，钛酸盐纳米管在固态电池结构中表现出优异的电化学性能，其初始放电容量可达400 mAh g?1，并在40次循环后仍能保持约81.25%的容量保持率。此外，钛酸盐在钠离子电池（NIBs）中也表现出较高的能量密度，因为钠离子的较大半径和较低的嵌入能力可以通过适当的结构和改性策略加以改善。

在可持续性方面，钛酸盐的绿色合成方法和废物再利用策略为实现环保和低成本的电池制造提供了新的思路。生物合成方法利用植物提取物、真菌和细菌等天然资源，避免了有毒化学品的使用，同时提高了合成过程的可扩展性。例如，通过植物提取物合成的钛酸盐纳米颗粒在0.1A g?1电流密度下表现出约221 mAh g?1的初始放电容量，并在100次循环后仍能保持约88.3%的容量保持率。此外，利用工业和农业废弃物作为原料，不仅降低了生产成本，还减少了对环境的影响。

在电解质系统方面，水性粘结剂的使用显著提高了钛酸盐电极的生产安全性和经济性。传统的有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）在制造过程中具有较高的环境和健康风险，而水性粘结剂如羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）则能够减少对有机溶剂的依赖，同时保持电极的稳定性和性能。研究显示，使用水性粘结剂的钛酸盐电极在循环过程中表现出更高的容量保持率，且具有更低的界面阻抗，从而提升了电池的整体性能。

尽管钛酸盐在LIBs和其他离子电池体系中展现出诸多优势，但仍需进一步研究以解决其在高能量密度和快速充电能力方面的不足。例如，通过优化纳米结构、合理控制掺杂量和开发高效的缺陷工程，可以显著提升钛酸盐的电化学性能。此外，研究者们还在探索钛酸盐与其他先进材料（如2D材料、MXenes等）的复合策略，以实现更高效的电荷传输和更高的能量密度。

综上所述，钛酸盐作为一种新型负极材料，在LIBs及其他离子电池系统中具有广阔的应用前景。其结构稳定性、安全性以及通过多种策略优化后的电化学性能，使其成为可持续电池技术的重要组成部分。随着研究的深入和技术的进步，钛酸盐有望在未来高能量密度和长循环寿命的电池系统中发挥关键作用。