图1：多尺度设计示意图

图1展示了NTP-Gd-C材料在原子尺度、纳米尺度和电极结构的多尺度设计原则。在宏观水平设计上，二次颗粒具有较大的粒径和较小的孔体积，同时，三维网络结构在电极中提供了连续的离子/电子传递。在纳米级设计中，NTP的尺寸减小、内部多孔性扩大和超薄碳涂层对提高离子/电子导电性起着重要作用。在原子水平上，Gd掺杂和氧空位的共存有利于促进NTP的Na⁺扩散和电子导电性。因此，多尺度设计的NTP-Gd-C阳极可以保证整个电极的快速电子/离子传输，并提供出色的面积/体积容量。

图2: NTP、NTP-Gd、NTP-C和NTP-Gd-C的理化特性

图2展示了NTP、NTP-Gd、NTP-C和NTP-Gd-C样品的晶体结构，确认了其NASICON结构，结合拉曼测试表明碳层具有高结晶度和石墨化的性质。通过EPR分析可以看出NTP-Gd-C材料具有丰富的氧空位。

图3：NTP-Gd-C复合材料的微观结构和形貌

图3展示了NTP-Gd-C复合材料的微观结构和形貌，几十微米的二次粒子由纳米颗粒组装成层次结构框架，原生颗粒分布均匀，碳桥接形成层次结构与NTP-Gd相比，NTP-Gd-C颗粒的平均尺寸减小到50 nm左右，图3F给出了高分辨率透射电镜(HRTEM)，其中超薄碳层(≈1.5 nm)包裹在NTP-Gd-C颗粒表面。此外，可以观察到(012)平面对应的晶格间距约为0.61 nm。结果与图2A的XRD结果一致。

图4：半电池结构下NTP、NTP- gd、NTP- c和NTP- gd -c电极的电化学性能比较

图4展示了半电池结构下NTP、NTP-Gd、NTP-C和NTP-Gd-C电极的电化学性能。从CV曲线上可以看出，与其他三种电极相比，NTP-Gd-C电极的阳极-阴极峰值差最小(158 mV)，峰值最大，表明其Na⁺动力学过程更加容易。在0.5、1、2、5、10、20、30和50 C的倍率下，NTP-Gd-C的比容量分别为133、129、127、123、119、114、110和104 mAh g^-1。即使100 C和200 C，也可以分别实现91 mAh g^-1和58 mAh g^-1的比容量。更令人印象深刻的是，经过10,000次循环后，NTP-Gd-C电极的放电比容量为65 mAh g^-1，对应于在20 C下每个循环的容量衰减0.004%，结果表明NTP-Gd-C电极具有优越的速率和长期循环稳定性。

图5：NTP-Gd-C的动力学分析及Na+储存机理

图5首先利用密度泛函理论计算NTP、NTP-Gd和带氧空位的NTP-Gd (NTP-Gd-OVs)的态密度(DOS)，与NTP相比，NTP-Gd和NTP-Gd-OVs由于从导带向费米能级的显著转变而表现出金属特征，这表明两种材料的本征电子导电性得到了改善。经过20个循环(1C)后，NTP-Gd-C电极表现出最小的电荷转移电阻，表明反应动力学更快。此外，结合GITT测定了NTP-Gd-C电极快的Na⁺扩散系数表明NTP-Gd-C电极中Na⁺的高效扩散。动力学分析为NTP-Gd-C电极的快速电子/离子转移动力学提供了额外的证据。因此，NTP-Gd-C电极在高倍率性能和长循环寿命方面具有优异的电化学性能。采用了原位XRD技术和原位拉曼技术揭示了钠在NTP-Gd-C电极中的储存机理，整个过程可以描述为NaTi₂(PO₄)₃和Na₃Ti₂(PO₄)₃之间典型的两相反应，反映了Na⁺的可逆性。

图6：NTP-Gd-C//NVP-C全电池性能测试

图6显示了在-20-60 ℃温度范围内NTP-Gd-C的优的宽温性能，并且在高活性材料质量负载下对NTP-Gd-C电极进行了进一步的评价。随后对NTP-Gd-C//Na₃V₂(PO₄)₃/C全电池的电化学性能进行了评价即使在1 C、5 C、10 C、50 C、100 C和200 C的高充电率下，电池的可逆比容量也分别达到约97、89、78、67、56和42 mAh g^-1。此外，在20 C下，全电池在4000次循环中有66%的容量保持，表现出超高的循环稳定性。结果表明，NTP-Gd-C作为储钠材料具有实际可行性。

期刊简介

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2019年创刊，同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，连续两年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号，连续三年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，2022和2023年入选中科院材料科学一区TOP 期刊，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收录，2023年获得第二个影响因子20.5。

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