单分子前驱体热解制备二氧化钛负极材料及其储锂性能研究

发布时间：2020-04-18 00:09

【摘要】：二氧化钛(TiO_2)因具有成本低、环境友好、结构稳定及安全性高等特点,被视为有前景的下一代锂离子电池负极材料。但是,TiO_2为半导体材料,导电性较差、离子传输能力较弱。因而在作为负极材料时,倍率性能较差,从而限制其实际应用。通过与高导电能力的材料复合、杂原子掺杂、纳米化处理等措施可以提升TiO_2的电化学性能。基于此,本论文通过原位热解单分子前驱体制备出不同晶型的一维多孔二氧化钛(1-D TiO_2)以及氮掺杂碳复合的纳米TiO_2(TiO_2-NPs/NC)负极材料,并对其电化学性能进行了探究分析,期望得到性能优异的二氧化钛基负极材料。本论文的主要研究内容可概括如下:1)探究了锐钛矿、锐钛矿/金红石、锐钛矿/TiO_2-B三种不同晶型的二氧化钛基负极材料的制备、电化学性能及储锂机制;2)探究了不同热解温度条件下制备的TiO_2-NPs/NC复合材料的电化学性能;3)探究并分析了TiO_2-NPs/NC复合材料的储锂机制、动力学特征及充放电性能。通过实验探究,可得出如下结果/结论:1)利用热解单分子前驱体可以可控并高效地制备出不同晶型和组成的二氧化钛基负极材料。2)对比锐钛矿、锐钛矿/金红石、锐钛矿/TiO_2-B三种不同晶型的二氧化钛基负极材料的电化学性能,发现锐钛矿/TiO_2-B材料具有最好的电化学性能。3)分析不同煅烧温度制备的TiO_2-NPs/NC复合材料的电化学性能,发现单分子前驱体热解法制备TiO_2-NPs/NC复合材料的最佳煅烧温度为550℃。4)分析TiO_2-NPs/NC复合材料的储锂机制和动力学特征,表明TiO_2-NPs/NC复合材料储锂过程由电容和法拉第机制共同完成,超细二氧化钛负极材料具有较大的锂离子扩散系数(D_(Li+))。5)分析TiO_2-NPs/NC复合材料的的电化学性能,发现较小比表面积的TiO_2-NPs/NC复合材料也可以表现出较好的倍率性能、循环稳定性及高的比容量。即:在0.3、1.0、2.0、4.0和6.0 A g~(-1)电流密度下,材料的比容量分别达到360、270、220、160和125 mAh g~(-1)。在4.0和6.0 A g~(-1)高电流密度下循环完1000圈后,容量保持率分别为93.3%和94.0%。分析得出,基于超细纳米粒子可缩短离子迁移路径、提高抗内部应力的能力和减少团聚现象以及氮掺杂碳基质提高材料导电性的协同作用,TiO_2-NPs/NC复合材料具有较好的电化学性能。
【图文】：

锂金属电池,可充电

学循环过程中，高纯度的金属锂会在电极表面沉积出来，由，因而容易与电解质或可能含有的杂质物质发生化学副反应，能或引发安全问题。为了避免此类安全问题的发生及探究开发极材料，后期便开始了以锂合金为电池负极材料的实验探究。定程度上提升了安全性能和电化学性能，但由于合金负极材料率大，因而其结构仍十分不稳定[6]。为此，在 20 世纪 80 年代案：一是，将液体电解质换成为高聚物固体电解质，进而得到；二是，经 M.Armand[7]提出的“Rocking-chair rechargeable batt日本的索尼公司在 1990 年间成功研制开发出来后，，在世界范围电池的研究热潮。时至今日，锂离子电池负极材料已经经历了材料，发展到碳材料和过渡金属及其合金、氧化物、硫化物等物负极材料，比如：TiO2、Li4Ti5O12等，因具备较好的稳定性等特性，而得到了更多的关注，有望成为下一代锂离子二次电池

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24硼酸盐、硅酸盐以及 Tavorite 化合物等）也得到了一定的关注。锂离子电池工作原理离子二次电池主要由负极材料、正极材料、电解液、集流体和隔膜等五大极材料常以三元材料（LiNixCoyMn1-x-yO2）、LiMn2O4、LiCoO2以及 LiFeP极材料在商业化应用中则一般是以石墨类碳材料为主。隔膜是一种负责把隔开来的微孔高聚物材料，其可有效地避免电池内部发生短路，具备有较性与电子绝缘性。微孔结构的聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）类高聚物[的隔膜材料。电解液则一般是由高纯度的有机溶剂（如：碳酸甲乙酯（E乙酯（DEC）、碳酸乙烯酯（EC）等）、锂盐（如 LiPF6）及必要的添加剂成。对于电池的电解液而言，其一般具备较好的稳定性、较高的离子电导较宽的工作电压范围[16]。铜箔和铝箔是一般常涉及到的集流体。一般而言对应负极材料，铝箔集流体则为正极材料所用。图 1-2 展示的为工作原理
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ134.11

【参考文献】