铌酸钛的制备及储能性质研究

发布时间：2020-11-13 20:11

　　 为了满足大型电子设施的日益庞大供能需求,研发能提供超大能量密度的锂离子电池负极材料成为了众多材料工作者和锂电专家的研究重点。在此,本论文将报道TiNb_2O_7和TiNb_(24)O_(62)这两种材料的制备及改性方法;并通过一些电化学测试对TiNb_2O_7和TiNb_(24)O_(62)这两种材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行了深入研究;同时也用原位技术对这两种材料的储锂机制展开了初步探讨。首先,本文采用同轴静电纺丝方法制备了一维TiNb_2O_7空心纳米管。得到的一维TiNb_2O_7空心纳米管具有较高的嵌锂平台,较低的电荷转移电阻和较快的电化学动力性能。其电化学测试结果显示一维TiNb_2O_7空心纳米管在0.4C的电流倍率下循环150圈后仍能保持210.1mAh g~(-1)的容量,甚至以10C的电流倍率下,能保持158.4mAh g~(-1)的容量。这样优异的电化学性能归因于其空心纳米结构。此外,一维TiNb_2O_7空心纳米管的储锂机制也被系统的研究了,其放电过程可被划分为三个阶段,分别是两个固溶体过程和一个两相共存过程。研究发现,其在充放电过程中具有突出的结构稳定性和高度的电化学可逆性。因此适合作为锂离子电池的负极材料。其次,本文采用相同的方法制备一维TiNb_(24)O_(62)纳米线,并对其进行氮掺杂碳包覆。其电化学测试结果显示氮掺杂碳包覆TiNb_(24)O_(62)纳米线在0.5C的电流倍率时可以输出高达218mAh g~(-1)的容量;甚至在10C的电流倍率下循环900圈,其可逆输出容量仍能保持在148.9mAh g~(-1)。其优异的电化学性能可归因于氮掺杂碳包覆和TiNb_(24)O_(62)纳米形貌共同作用的结果。此外,通过使用原位XRD技术,氮掺杂碳包覆TiNb_(24)O_(62)纳米线的储锂机制也更加明朗。氮掺杂碳包覆TiNb_(24)O_(62)纳米线在充放电过程中的相变是由于TiNb_(24)O_(62)晶体沿TiNb_(24)O_(62)晶体的b轴方向膨胀所导致的。研究发现,其在充放电过程中具有突出的结构稳定性和高度的电化学可逆性。因此其也适合作为锂离子电池的负极材料。
【学位单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ134.11;TM912
【部分图文】：

装正极，负极，隔膜和电解液的外壳。纽扣型锂离子电池的结构如图1.1 所示。图 1.1 锂离子电池的结构示意图Fig. 1.1 The structure of lithium-ion battery2. 锂离子电池的工作原理[1]锂离子电池其实是一种锂离子浓差电池，正负两极均由两种不同的嵌脱锂化合物组成。以早期商业化的钴酸锂-石墨电池为例，其电池的电化学表达式如下：

- 4 -图 1.2 锂离子电池的工作原理图[11]Fig. 1.2 The working principle diagram of lithium-ion battery充电时，在正极区的层状结构钴酸锂脱出锂离子进入电解液，负极区电解液中的锂离子进入石墨结构中形成 LixC6化合物。与此同时，外电路电荷的补偿确保了锂离子电池的正极和负极都处于电荷平衡状态。而放电过程正好与充电过程相反。在锂离子电池正常的充放电过程中，锂离子在正极材料和

图 1.3 锂离子嵌入石墨时的阶段示意图[13]Fig. 1.3 Schematic of stage formation during intercalation of lithium into graphite在石墨中，锂离子的嵌入和脱嵌主要发生在 0 至 0.25V，并且具有良好的电压平台。从图 1.4 中，我们可以明显的看到这些平台的存在。
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本文编号：2882587