水热法合成含钛类锂离子电池负极材料及其电化学性能的研究

发布时间：2017-07-19 07:14

  本文关键词：水热法合成含钛类锂离子电池负极材料及其电化学性能的研究

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【摘要】：日益增加的能源消耗和由此所带来的环境问题受到越来越多人的关注。人类对于绿色能源的需求也变得越发迫切。近十年来,锂离子电池技术发展迅猛,跃成为当今社会最主要的能量储存与转化的新能源技术之一。负极材料作为锂离子电池中一个很重要的组成部分,其性能的好坏直接决定了锂离子电池性能的优劣。TiO_2是一种含钛类锂离子负极材料,具有容量高、资源丰富、环境友好、结构稳定性好、安全性能高等优点,是极具潜力的新一代锂离子电池负极材料。然而TiO_2电子导电率低(10-12～10-7 s·cm-1),且在Li+嵌入TiO_2晶格后,难以在晶格表面形成有效电场,Li+不能顺利地脱出,锂离子扩散速率也随之降低(10-15～10-9cm2·s-1),所以大倍率充放电时实际比容量并不高。同样作为含钛类锂电负极材料的尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)属于绝缘型材料,电子导电率和离子扩散速率都非常低。当作为电极材料时,往往出现较大的极化,倍率性能差。针对TiO_2和Li_4Ti_5O_(12)存在的以上问题,本文采用水热合成法、微乳液辅助水热法、离子参杂法等方式对TiO_2纳米结构进行制备和改性,具体研究结果如下：(1)用水热法制备出TiO_2纳米颗粒,再二次运用水热法将制备好的TiO_2纳米颗粒与不同浓度的NaOH/KOH溶液反应,通过调节反应温度和反应时间获得不同形貌的TiO_2纳米结构。电化学测试表明,锐钛矿型Ti02纳米颗粒较其他四种TiO_2的纳米结构(纳米管,纳米线,纳米片,纳米棒)相比,具有较高的首次放电容量,可达260.5 mAh·g-1;电压平台稳定且较长；容量保留率高,在20 mA·g-1的电流密度下放电时,50次循环后容量仍可达200.9mAg·g-1。TiO_2纳米颗粒的交流阻抗也是这五种TiO_2纳米结构中最小的,仅为40.5Ω。(2)由于TiO_2纳米颗粒是这五种TiO_2纳米结构中综合电化学性能最优的,在水热法制备TiO_2纳米颗粒的基础上,加入七水硫酸亚铁作为铁源,制备出了Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒。通过控制七水硫酸亚铁的加入量,制备了Fe/Ti摩尔比分别为0.001,0.005,0.01,0.02的Fe/TiO_2纳米颗粒。电化学性能测试表明,Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒在可逆容量、倍率性能和循环稳定性方面要明显优于纯Ti02纳米颗粒。在四种不同掺Fe量的TiO_2纳米颗粒中,Fe/Ti摩尔比为0.01的样品其综合电化学性能最优。(3)TiO_2和Li_4Ti_5O_(12)都是含钛类锂离子电池负极材料。本文继续采用水热法辅助微乳液合成了被锐钛矿型TiO_2包覆的Li_4Ti_5O_(12)纳米棒材料,并具体分析了该种材料的生长机理。电化学性能测试表明,在电流密度为0.0175 A·g-1时,TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的可逆容量可达209.1 mAh·h-1即使电流密度达到7A·g-1,容量也能达到102.9 mAh·g-1,比纯Li_4Ti_5O_(12)要高得多(52mAh·g-1),且在电流密度为1.75 A·g-1下,经过50次循环后还能保持初始容量的96%,这些结果都表明在Li_4Ti_5O_(12)上包覆一层锐钛矿型TiO_2大大提升了Li_4Ti_5O_(12)的可逆容量,倍率性能和电化学可逆性。
【关键词】：锂离子电池 离子参杂 含钛类负极材料 水热合成
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池简介12-17
• 1.2.1 锂离子电池的发展简史12-14
• 1.2.2 锂离子电池的结构及工作原理14-15
• 1.2.3 锂离子电池的性能特点15-17
• 1.3 负极材料的研究现状17-20
• 1.3.1 碳材料17-18
• 1.3.2 硅基材料18-19
• 1.3.3 锡基材料19
• 1.3.4 过渡金属氧化物19-20
• 1.4 负极材料TiO_2的概述及研究现状20-24
• 1.4.1 TiO_2的结构特性及储锂机制20-22
• 1.4.2 纳米结构的TiO_2的制备方法及研究现状22-24
• 1.5 Li_4Ti_5O_(12)的制备方法和研究现状24-27
• 1.5.1 Li_4Ti_5O_(12)的结构特性及储锂机制24-25
• 1.5.2 Li_4Ti_5O_(12)的制备方法及研究现状25-27
• 1.6 离子参杂的研究现状27-28
• 1.7 研究内容及意义28-30
• 第二章 实验药品、仪器及方法30-36
• 2.1 实验药品及仪器设备30-31
• 2.1.1 实验所用化学试剂30-31
• 2.1.2 实验所用仪器设备31
• 2.2 材料的制备31-32
• 2.2.1 水热法制备TiO_2纳米颗粒31-32
• 2.2.2 水热法制备TiO_2的其他纳米结构32
• 2.2.3 制备掺Fe的TiO_232
• 2.2.4 水热法制备TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合的负极材料32
• 2.3 材料的表征与测试32-33
• 2.3.1 X射线衍射分析32
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析32-33
• 2.3.3 透射电子显微镜分析33
• 2.3.4 X射线光电子能谱分析33
• 2.3.5 能谱分析33
• 2.4 电极的制备与电池的组装33-34
• 2.4.1 电极片的制备33-34
• 2.4.2 电池的组装34
• 2.5 材料的电化学性能测试34-36
• 2.5.1 充放电测试34
• 2.5.2 交流阻抗分析34-35
• 2.5.3 循环伏安测试35-36
• 第三章 多种TiO_2纳米结构的水热法合成及电化学性能研究36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 多种TiO_2纳米结构的制备与表征36-37
• 3.2.1 多种TiO_2纳米结构的制备36-37
• 3.2.2 多种TiO_2纳米结构的表征37
• 3.2.3 多种TiO_2纳米结构的电化学测试37
• 3.3 实验结果与讨论37-48
• 3.3.1 TiO_2纳米颗粒的结构和物相分析37-40
• 3.3.2 TiO_2的其他纳米结构的形貌和物相分析40-44
• 3.3.3 不同TiO_2纳米结构的电化学性能分析44-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒的制备及其电化学性能研究50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒的制备与表征50-51
• 4.2.1 Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒的制备50-51
• 4.2.2 Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒的表征51
• 4.2.3 Fe掺杂的TiO_2纳米颗粒的电化学性能测试51
• 4.3 实验结果与讨论51-60
• 4.3.1 XRD分析51-53
• 4.3.2 TEM分析53-54
• 4.3.3 XPS分析54-55
• 4.3.4 Fe掺杂的TiO_2的电化学性能分析55-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的制备与电化学性能的研究62-72
• 5.1 引言62
• 5.2 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的制备与表征62-63
• 5.2.1 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的制备62
• 5.2.2 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的表征62-63
• 5.2.3 Li_4Ti_5O_(12)复合材料的电化学性能测试63
• 5.3 实验结果与讨论63-70
• 5.3.1 XRD分析63-64
• 5.3.2 SEM分析64-65
• 5.3.3 TEM分析65-67
• 5.3.4 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的电化学性能分析67-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-84
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文84

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