钛基负极材料的制备及其改性研究

发布时间：2017-07-07 08:26

  本文关键词：钛基负极材料的制备及其改性研究

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【摘要】：钛基负极材料具有化学性质稳定、低毒、原料储存广、无污染等优点被广泛认为是一类极具潜力的锂/钠离子电池负极材料。尽管TiO2有很多优点,但其导电性差及离子在该材料中扩散率低的缺点很大程度上影响了锂离子及钠离子在Ti O2中的嵌入脱出速率。近年来,作为新型钠离子电池负极材料,Na2Ti3O7饱受着导电性和电化学稳定性差的影响,且在充放电过程中该材料还存在着结构变形。在这篇论文中,我们以提高TiO2和Na2Ti3O7的导电性和结构稳定性为目的,通过制备不同形貌、不同尺寸及不同晶型的钛基负极材料,并对材料进行碳材料的掺杂与包覆来改善材料的电化学性能。通过水热法成功合成了具有纳米尺寸的锐钛矿TiO2。研究表明,纳米尺寸的锐钛矿TiO2具有良好的电化学性能。同时,为了克服材料导电性差的缺陷,用活化碳纳米管(FCNTs)对材料进行掺杂。结果表明,活化碳纳米管成功穿插在锐钛矿TiO2纳米粒子内部并形成导电网络,有效地提升了材料的电子导电性。通过对不同掺杂量的复合材料进行电化学性能分析,我们发现掺杂量为2%的Ti O2/FCNTs纳米复合材料在锂离子电池中具有最优异的电化学性能。Ti O2/FCNTs纳米复合材料在1.0~3.0 V的电压范围内,5040 mA g-1的电流密度(30C)下,其首次放电比容量为109.2 mAh g-1,循环100次后,容量基本没有衰减。通过一步溶剂热法成功合成了在锂离子电池和钠离子电池中具有优异电化学性能的多级球形双晶二氧化钛负极材料(anatase@TiO2(B))。结果表明,anatase@TiO2(B)在锂离子电池中1.0~3.0 V的电压范围内,5040 mA g-1的电流密度(30 C)下,其首次放电比容量为114.8 mAh g-1,循环375次后,其容量仍然保持在91.7 mAh g-1。该材料在钠离子电池中0.01~2.5 V的电压范围内,850 mA g-1的电流密度下深度放电后,当电流密度降低到85 mA g-1后其放电比容量能保持在168.6 mAh g-1,在170 mA g-1的电流密度下循环50周后电池放电比容量为131mAh g-1。通过流变相法成功合成了一种Na2Ti3O7/C复合材料。分布规整的碳材料将单个分散的Na2Ti3O7粒子紧密连接起来,在材料外部生成导电网络。相对于纯的Na2Ti3O7材料来说,Na2Ti3O7/C复合材料在钠离子电池中具有优异的电化学性能,在178 mA g-1的电流密度(1 C)下循环100次后,其放电比容量为111.8 mAh g-1,而纯的Na2Ti3O7材料只有48.6 mAh g-1。
【关键词】：二氧化钛 钛酸钠 复合材料 锂离子电池 钠离子电池
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池简介10-13
• 1.2.1 锂离子电池的发展10-11
• 1.2.2 锂离子电池的结构及工作原理11-12
• 1.2.3 锂离子电池的优缺点12-13
• 1.3 锂离子电池负极材料发展概况13-16
• 1.3.1 碳素类负极材料13-14
• 1.3.2 硅基负极材料14
• 1.3.3 锡基负极材料14-15
• 1.3.4 过渡金属硫化物负极材料15
• 1.3.5 过渡金属氧化物负极材料15-16
• 1.4 钠离子电池简介16-18
• 1.4.1 钠离子电池的发展16-17
• 1.4.2 钠离子电池负极材料发展概况17-18
• 1.5 钛基负极材料研究进展18-22
• 1.5.1 二氧化钛18-21
• 1.5.2 钛酸钠21-22
• 1.6 本课题的主要研究内容及意义22-25
• 第2章 实验方法25-30
• 2.1 实验仪器及药品25-26
• 2.1.1 实验仪器25
• 2.1.2 实验药品25-26
• 2.2 材料物理性能表征26-27
• 2.2.1 X-射线衍射(XRD)26-27
• 2.2.2 扫描电镜(SEM)27
• 2.2.3 透射电镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)27
• 2.3 扣式电池的制备27-28
• 2.3.1 极片的制备27
• 2.3.2 锂离子电池组装27
• 2.3.3 钠离子电池组装27-28
• 2.4 材料电化学性能表征28-30
• 2.4.1 充放电性能测试28
• 2.4.2 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试28
• 2.4.3 恒电流间歇滴定(GITT)分析28-30
• 第3章 FCNTs-TiO_2纳米复合材料的制备及储锂性能研究30-41
• 3.1 引言30-31
• 3.2 材料的制备31-32
• 3.2.1 FCNTs-TiO_2纳米复合材料的制备31-32
• 3.3 结果与讨论32-39
• 3.3.1 FCNTs-TiO_2纳米复合材料的物理表征32-34
• 3.3.2 FCNTs-TiO_2纳米复合材料的储锂性能分析34-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 球形核壳双晶二氧化钛负极材料的制备及储锂/钠性能研究41-51
• 4.1 引言41
• 4.2 材料的制备41-42
• 4.2.1 anatase@TiO_2(B)的制备41-42
• 4.3 结果与讨论42-49
• 4.3.1 anatase@TiO_2(B)的物理表征42-44
• 4.3.2 anatase@TiO_2(B)的储锂性能分析44-47
• 4.3.3 anatase@TiO_2(B)的储钠性能分析47-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第5章 Na_2Ti_3O_7/C的制备及储钠性能研究51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 材料的制备51-52
• 5.2.1 Na_2Ti_3O_7的制备51
• 5.2.2 Na_2Ti_3O_7/C的制备51-52
• 5.3 结果与讨论52-57
• 5.3.1 Na_2Ti_3O_7/C的物理表征52-54
• 5.3.2 Na_2Ti_3O_7/C的储钠性能分析54-57
• 5.4 本章小结57-59
• 第6章 结论与展望59-62
• 6.1 结论59-60
• 6.2 展望60-62
• 参考文献62-68
• 致谢68-69
• 个人简历69-70
• 攻读硕士期间公开发表的科研成果70-71

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