层状钛酸盐的结构构筑和储钠性能研究

发布时间：2017-08-20 14:28

  本文关键词：层状钛酸盐的结构构筑和储钠性能研究

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【摘要】：随着社会对绿色能源的需求,锂离子电池已得到了迅速的发展及广泛的应用,电动汽车和大规模储能的应用势必会造成锂元素的相对短缺,探索具有优异电化学性能的钠离子电池已经成为当今二次电池领域的一个热点。本文旨在通过钛酸盐为前驱体,构筑新型乱序片层堆叠的二氧化钛(TiO2)/石墨烯复合材料作为钠离子电池负极材料,主要内容和结果如下:首先以熔融盐法合成钛酸锂钾前驱体,然后通过H+质子交换、有机胺剥离合成得到H1.08Ti1.73O4·H2O(HTO)纳米片,采用XRD、SEM、TEM等手段对材料进行表征,测试结果表明HTO在有机胺中得到了较好的剥离,纳米片状结构均匀,纳米片层厚度为数十纳米,横向宽度却延伸至微米级别,能够满足本论文中作为负极材料前驱体的要求。制备的HTO悬浊液与石墨烯材料均匀混合,然后经过冷冻干燥及热处理工序,首次合成了乱序片层堆叠的HTO/石墨烯复合材料。通过调节二氧化钛与石墨烯的质量比和热处理温度,深入研究了TiO2/石墨烯复合材料的储钠电化学性能。研究表明,复合材料的最佳质量比为9:1,最佳热处理温度为400℃。具有最佳电化学性能的TiO2/还原石墨烯(RGO)复合材料首次充电比容量高达268 mA h g-1,首次库伦效率为55.2%,循环30圈后可逆容量保持在187.9 mA h g-1,容量保持率为76.7%,不同电流密度充放电测试也显示出该材料具有优异的倍率性能。进一步研究表明,TiO2/RGO复合材料的储钠容量贡献主要来自于TiO2(锐钛矿相)、石墨烯、复合材料表面缺陷储钠位点三个因素。另外,氧化石墨烯还原后其ID/IG比值降低,石墨烯层内缺陷及层间距减少,理论上石墨烯储钠容量相应减少,但还原石墨烯同时增加了复合材料的导电性,降低了电极材料的内阻,材料的可逆容量以及倍率性能却得到明显提高。本论文通过主动改变层状钛酸盐的层间结构来调控其储钠空间和储钠性能,研究其储钠机理,其结果为优化层状钛酸盐的储钠性能提供了一条新的途径,为探索其它储钠电极材料提供了实验和理论指导。
【关键词】：钠离子电池 负极材料 冷冻干燥 二氧化钛 石墨烯 复合材料
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 引言9-10
• 1.2 钠离子电池的工作原理及特点10-11
• 1.3 钠离子电池负极材料研究进展11-18
• 1.4 研究内容和意义18-20
• 2 实验原料及方法20-27
• 2.1 实验原料及试剂20-21
• 2.2 实验方法21-24
• 2.3 材料表征测试方法24-27
• 3 HTO纳米片的的制备实验27-34
• 3.1 引言27
• 3.2 熔融盐法合成K_(0.81)TI_(1.73)LI_(0.27)O_427-29
• 3.3 质子交换制备H_(1.08)TI_(1.73)O_4·H_2O（HTO）29-31
• 3.4 正丙胺剥离制备HTO纳米片31-33
• 3.5 实验小结33-34
• 4 HTO/石墨烯复合材料的结构构筑和性能研究34-53
• 4.1 引言34
• 4.2 HTO/GO复合材料的合成和结构研究34-39
• 4.3 TIO_2/GO复合材料的储钠性能39-43
• 4.4 HTO/RGO复合材料的合成和结构研究43-47
• 4.5 TIO_2/RGO复合材料的储钠性能47-51
• 4.6 实验小结51-53
• 5 结论与展望53-55
• 5.1 结论53
• 5.2 展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-60

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本文编号：707159