基于钛酸纳米管制备高性能二氧化钛锂离子电池负极材料

发布时间：2018-06-01 09:56

本文选题：二氧化钛 + 钛酸纳米管　；参考：《河南大学》2015年硕士论文

【摘要】：二氧化钛由于其资源丰富、环境友好、价格低廉,并且在嵌脱锂过程中结构稳定,避免锂沉积形成锂枝晶以及有机电解液的分解,提高了电池的安全性能,因而作为锂离子电池负极材料时得到人们的广泛关注。然而,二氧化钛低的电子导电率和离子电导率,使得电池的初始容量低以及倍率性能差,严重限制了其在动力汽车以及混合动力型汽车中的应用。人们已经尝试各种方法提高二氧化钛的倍率性能,包括(i)纳米结构化,缩短离子和电子的传输距离;(ii)表面包覆一层高导电性物质,比如碳层,提高材料表面导电性;(iii)体相掺杂金属阳离子或者非金属阴离子。钛酸纳米管具有大的比表面积,独特的多层管状结构及较强的离子交换特性使其在很多领域都具有潜在的应用前景。钛酸纳米管的制备工艺已经相对成熟,在煅烧过程中可以脱水转化为锐钛矿相的二氧化钛,并且,通过控制煅烧条件还可以制备出具有氧空位缺陷的电极材料。本论文基于课题组对钛酸纳米管研究工作的基础,以钛酸纳米管为前驱体制备高性能二氧化钛锂离子电池负极材料,研究内容主要包含以下三个方面:(1)将钛酸纳米管分别在空气和氢气气氛条件下煅烧制备具有氧空位缺陷的二氧化钛,通过对样品的晶型结构、形貌、顺磁性、XPS进行分析发现,在空气气氛条件下煅烧得到的样品为具有体相氧空位缺陷而表面呈完整晶型结构的电极材料,而在氢气气氛条件下煅烧得到的为具有体相氧空位缺陷和表面氧空位缺陷的电极材料。和完整晶型结构的二氧化钛颗粒相比,引入氧空位缺陷后材料的电池性能大大提高。氧空位缺陷可以为锂离子的嵌入提供更多的活性位点并提高二氧化钛的本征电导率,从而提高电池容量和倍率性能,而且氧空位的存在可以为锂离子的嵌入和扩散提供更为开放的结构和便捷的通道。倍率性能的提高主要是由于体相氧空位的存在。(2)将钛酸纳米管在真空条件下进行脱水处理,通过优化实验条件,调节钛酸纳米管的脱水过程和晶体结构转化过程的速度,制备得到具有管状结构的锐钛矿相二氧化钛材料。材料的管状结构使其具有大的比表面积,提高了材料和电解液的接触面积,为锂离子的快速传输提供便捷的通道,并且在煅烧脱水过程中生成的氧空位缺陷又提高了材料的导电性,因此,将该材料作为电负极材料时表现出优异的电化学性能。为了更好的理解材料赝电容效应和非赝电容效应对电池电化学性能的影响,我们通过剖析材料在不同扫描速率条件的循环伏安曲线,初步研究了材料的赝电容存储过程及体相锂离子存储过程对电池容量的贡献,发现真空条件下煅烧样品为离子扩散控制的储锂反应过程,即在大倍率充放电条件下,材料中的赝电容存储机制占主导地位。(3)以氮化钛为前驱体,研究了不同反应条件下二氧化钛/氮化钛复合结构的制备及其电化学性能。最终可以得出结论:a)纳米级氮化钛在较低温度(340℃)于空气气氛条件下煅烧其晶型结构开始转化,除了氮化钛相还有二氧化钛相的生成,但是测得产物的倍率性能不好,这可能是由于煅烧过程中颗粒尺寸变大以及二氧化钛和氮化钛之间没有有效结合力引起的。b)纳米级氮化钛在较低温度下进行水热处理,其形貌结构并不能被改变,但是通过增加碱液浓度、提高反应温度、增加反应时间,材料由颗粒状转变为棒状,通过对他们的电化学性能进行评价我们发现,氮化钛虽然不是储锂的最佳选择,但是由于其较好的电子导电性,它的倍率性能较好。
[Abstract]:The invention relates to a titanium dioxide with high specific surface area , unique multi - layer tubular structure and strong ion exchange characteristic , which can provide more active sites for embedding and diffusion of lithium ions , and can provide more open structure and convenient channel for embedding and diffusion of lithium ions . The preparation and electrochemical properties of titanium dioxide / titanium nitride composite structures under different reaction conditions are studied by optimizing the experimental conditions .
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TM912

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