等离子渗C、N、Fe、Ni的二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究

发布时间：2017-08-26 01:45

  本文关键词：等离子渗C、N、Fe、Ni的二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究

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【摘要】：二氧化钛作为一种为被广泛研究的半导体材料,因其成本低容易获得、环境友好等特点得到了十分广泛的应用。二氧化钛作为锂离子电池的负极材料具有很好的电化学活性,因为其较高的充放电平台(1.7V),不仅避免了在低电压形成的锂枝晶造成的安全问题,而且不会在电极表面形成固体电解质膜(SEI膜)。二氧化钛纳米管因具有比表面积大,能够与电解液充分接触,且能有效缩短锂离子的扩散距离等优势成为锂离子电池的负极材料的研究热点,但是二氧化钛较低的电子电导率和锂离子分散率使其实际容量只有理论容量的一半,阻碍了其在锂电池上的应用。目前研究中基本上都是通过对二氧化钛纳米管进行改性掺杂来提升改善其各方面的性能。论文先采用阳极氧化法制备出无定形的二氧化钛纳米管阵列,然后使用等离子渗金属技术对二氧化钛纳米管进行了金属元素Fe、Ni和非金属元素C、N掺杂。对制备得到的掺杂二氧化钛纳米管进行材料表征并将其作为锂离子电池的电极材料组装成纽扣半电池测试电化学性能。等离子渗氮和碳的二氧化钛纳米管显示出优异的锂电性能。SEM和XRD图谱结果显示等离子渗氮和碳样品的纳米管结构并没有被破坏,但是没有含氮或者碳的TiC或者TiN物相出现。通过N和C的高分辨XPS图谱发现,C、N以间隙扩散的机制进入到二氧化钛的晶格中取代了部分氧原子,形成Ti-O-N和Ti-O-C的结构。对等离子渗氮和碳二氧化钛纳米管样品进行电化学性能检测发现,等离子渗氮和渗碳的二氧化钛纳米管首次放电容量分别从173mAhg-1和120mAhg-1提升至240mAhg-1和150mAhg-1,并且通过氮和碳的掺杂提高了电极材料的电导率,渗氮和渗碳的二氧化钛纳米管的阻抗分别从17Ω和180Ω减小到9Ω和80Ω,电池的整体循环稳定性也都得到了一定的提升。等离子渗铁和镍的二氧化钛纳米管的锂电性能较差。通过对样品的XRD和XPS图谱分析发现,Fe和Ni并没有渗入进入二氧化钛晶格中形成固溶体。经过等离子渗铁处理之后,样品中出现了具有嵌锂能力的铁的氧化物Fe203；而经过等离子渗镍的样品中却只有金属Ni存在。在后续的电化学检测中发现,Fe、Ni掺杂的二氧化钛纳米的锂电性能很差,一方面是由于氧化物Fe203的加入在电池循环过程中会形成SEI膜,降低了电子电导率；另一方面是在渗入过程中纳米管结构被破坏了,导致电池不仅容量下降至28 mAhg-1和50 mAhg-1,阻抗也都增加至400Ω。
【关键词】：二氧化钛纳米管 等离子渗氮 等离子渗金属 锂电池 电化学
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池简介12-16
• 1.2.1 起源与发展12-13
• 1.2.2 锂电池的原理13-14
• 1.2.3 锂电池的组成部分14-16
• 1.3 锂电池负极材料的研究现状16-19
• 1.3.1 碳基材料17-18
• 1.3.2 硅基和锡基材料18
• 1.3.3 过渡金属氧化物18-19
• 1.4 氧化钛负极材料的研究19-23
• 1.4.1 二氧化钛纳米管的研究现状20-22
• 1.4.2 二氧化钛纳米掺杂22-23
• 1.5 等离子掺杂处理23-24
• 1.6 本论文主要研究内容与意义24-26
• 第二章 实验材料与方法26-38
• 2.1 实验材料与设备26-27
• 2.2 实验方案27-32
• 2.2.1 二氧化钛纳米管制备28-30
• 2.2.2 等离子掺杂二氧化钛纳米管的制备30-31
• 2.2.3 锂电池的组装31-32
• 2.3 实验工艺路线图32-33
• 2.4 要表征方法33-34
• 2.4.1 X射线衍射仪(XRD)33-34
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)34
• 2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)34
• 2.5 电化学性能测试34-38
• 2.5.1 电池比容量的计算34-35
• 2.5.2 恒流充放电测试35-36
• 2.5.3 不同倍率充放电性能测试36
• 2.5.4 循环伏安测试36
• 2.5.5 电化学阻抗测试36-38
• 第三章 等离子渗氮二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究38-50
• 3.1 等离子渗氮二氧化钛纳米管阵列的制备与表征38-43
• 3.1.1 制备工艺38-39
• 3.1.2 表征与分析39-43
• 3.2 等离子渗氮二氧化钛纳米管的电化学性能43-48
• 3.2.1 恒电流充放电测试43-44
• 3.2.2 循环伏安特性测试44-45
• 3.2.3 倍率性能测试45-46
• 3.2.4 电化学阻抗测试46-47
• 3.2.5 电池容量分析47-48
• 3.3 本章小结48-50
• 第四章 等离子渗碳二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究50-60
• 4.1 等离子渗碳二氧化钛纳米管阵列的制备与表征50-55
• 4.1.1 制备工艺50-51
• 4.1.2 表征与分析51-55
• 4.2 等离子渗碳二氧化钛纳米管的电化学性能55-59
• 4.2.1 恒电流充放电测试55-56
• 4.2.2 循环伏安特性测试56-57
• 4.2.3 倍率性能测试57-58
• 4.2.4 电化学阻抗测试58-59
• 4.2.5 电池容量分析59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 等离子渗金属二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究60-76
• 5.1 等离子渗铁二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究60-64
• 5.1.1 制备工艺60-61
• 5.1.2 表征与分析61-63
• 5.1.3 电化学性能测试63-64
• 5.2 等离子渗镍二氧化钛纳米管的制备及其锂电性能研究64-68
• 5.2.1 制备工艺64-65
• 5.2.2 表征与分析65-66
• 5.2.3 电化学性能测试66-68
• 5.3 渗入元素的扩散过程68-73
• 5.3.1 扩散原理68-69
• 5.3.2 渗入元素在锐钛矿中的扩散分析69-73
• 5.4 本章小结73-76
• 第六章 研究结论和展望76-80
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-80
• 致谢80-82
• 参考文献82-90
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 付敏,原鲜霞,马紫峰;TiO_2纳米管制备及其应用研究进展[J];化工进展;2005年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 吴建生;硅掺杂TiO_2纳米管阵列的制备及光电催化性能的研究[D];大连理工大学;2009年

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本文编号：738914