钛基氧化物锂离子电池负极材料的制备与储能特性研究

发布时间：2020-10-08 17:41

　　锂离子电池作为一种重要的清洁能源被广泛应用于各个领域,例如:航空航天,电子产品和电动汽车等。随着科技和经济的快速发展,锂离子电池已经无法满足人们的日益增长的能源需求,而负极材料是影响锂离子电池发展的重要因素之一。TiO_2作为一种常见的过渡金属氧化物,因其具有价格低廉,绿色环保,物理化学性质稳定的优势被应用于锂离子电池负极材料,但是TiO_2较差的电子和离子传导率限制了其应用。研究者通常将其设计成纳米级或者与导电材料复合,以此制备出性能良好的钛基氧化物复合材料。本文通过溶剂热法和高温煅烧相结合的方法对材料表面进行修饰,得到C@TiO_2纳米复合材料;以CNTs和热解碳层的导电网络为骨架,TiO_2以自组装的方式进行沉积制得CNTs-C@TiO_2复合材料;以镂空的花粉碳球作为骨架,葡萄糖作为碳包覆层,控制TBT的水解,制得C@TiO_2/3D花粉碳复合材料。并将其用于锂离子电池负极材料,测试其电化学性能,主要研究内容和结果如下:一、采用溶剂热法和高温煅烧相结合的方法成功制备出了C@TiO_2纳米复合材料。在KCl的催化作用下,冰乙酸与乙二醇发生酯化反应得到酯和水分子。水分子促使钛酸四丁酯发生水解,水分子的消耗又促进酯化反应的进行,类似于自催化反应。前驱体在N_2气氛下经过高温煅烧得到C@TiO_2纳米复合材料。采用一系列的表征手段和电化学测试对复合材料的结构形貌和电化学性能进行了研究。研究结果表明,与纯TiO_2相比,C@TiO_2纳米复合材料在充放电循环过程不仅具有稳定的结构,而且表现出优良的电化学性能。C@TiO_2复合材料的首次充放电容量为374/757 mAh g~(-1),对应的首次库伦效率49.4%,即使在1.6 A g~(-1)的电流密度下,容量仍能维持在176.5 mAh g~(-1)。二、采用溶剂热,以CNTs为添加剂,成功制备了CNTs-C@TiO_2复合材料。去离子水促使钛酸四丁酯发生水解得到Ti(OH)_4颗粒,沉积到CNTs表面上。乙二醇在Ti~(4+)的作用下发生聚合反应生成聚乙二醇,经过高温煅烧得到CNTs-C@TiO_2复合材料。在热解碳和CNTs的协同作用下,复合材料的导电性和结构稳定性得到极大地提高,因此,CNTs-C@TiO_2复合材料作为锂/钠离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。三、采用溶剂热法和高温煅烧相结合的方法,以镂空的花粉碳球作为骨架,葡萄糖作为碳包覆层,成功制备了C@TiO_2/3D花粉碳复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和比表面积测试(BET)对材料的结构,形貌以及晶型进行了表征。经过一系列的电化学测试,证实了C@TiO_2/3D花粉碳复合材料具有优异的电化学性能。测试结果表明,当煅烧温度为700℃时,在花粉碳球和热解碳组成的导电网络作用下,C@TiO_2/3D花粉碳复合材料在1 C的电流密度下的首次充放电容量为263.1/331 mAh g~(-1),对应的库伦效率分别为79.4%,循环100圈之后的容量维持在203.1 mAh g~(-1),容量保持率接近100%。为了更好地研究复合材料优异的电化学性能,C@TiO_2/3D花粉碳复合材料在5 C的电流密度下进行了1000次的充放电循环,容量仍能维持在148 mAh g~(-1),库伦效率接近100%。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

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图 1.1 锂离子电池的应用领域[25]Fig. 1.1Application fields of Lithium-ion batteries[25].电池的简述电池的发展元素周期表中的主族金属元素，不仅是最“轻”的金属金属[26]。相对于标准氢电极，锂金属的电极电位仅为-最低的电极电位[27]。因此，锂金属应用于储能装置-锂离压窗口和更高的能量密度，是选其作为锂金属电池二次电池的出现和发展最早始于上世纪 60年代的锂一次电池授[28]发现金属锂可以在有机电解质中沉积，提出了以有

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图 1.2 锂离子电池充放电工作原理图Fig. 1.2 The discharging-charging mechanism of Li-ion batterie1.2.3 锂离子电池的组成锂离子电池的组成一般包括五个部分：隔膜、电解液、电池壳负极材料。其中正负极材料关系到锂离子电池的储锂能力，是决定的关键因素，因此，正负电极材料的研究是锂离子电池研发的重(1) 正极材料正极材料是影响电池性能好坏关键因素之一。理想的正极材料特点：优异的结构稳定性，较高的电极电势，稳定的物理化学性质和电子传导率，价格低廉和简单的制备工艺[43]。近几十年来，正有了长足的进步。研究比较早的锂离子电池的正极料 LiMO2(通

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子电池的简述离子电池的发展来，智能电子产品与电动交通工具的迅猛发展，锂离子电池发足人们的能源需求。另外金属锂资源有限，全球分布不均匀，价积极寻求其他储能装置来替代锂离子电池[60]。钠是地球上储一，与锂金属具有相似的物理化学性质，适用于钠离子电池钠离子电池研究的深入，发现钠离子电池具有很多优势，如生，绿色环保等[61]。因此，各国加大了对钠离子电池的研发力有了迅猛的发展，图 1.3 为钠离子电池电极材料容量与电压环保意识的提高，人们对绿色，高效的储能装置越来越重视来具有广阔的发展前景和市场空间。

【参考文献】