鈦基鈉離子電池負(fù)極材料制備與性能研究.pdf

1、20世紀(jì)80年代以來二次可充放電池取得了飛速的發(fā)展,已經(jīng)在人們的日常生活以及電動汽車等大型儲能設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用,而對于二次電池的挑戰(zhàn)也是多重的,一方面需要具有更小的體積,更輕的質(zhì)量來滿足一些便攜設(shè)備的需求。另外一方面,隨著環(huán)境問題的日益突出,對二次電池材料的環(huán)保性能也提出了更高的要求。而電池材料的資源儲備也是一個重大的挑戰(zhàn)。
　　目前來說二次電池的種類有很多,鉛酸電池、鈉硫電池、鎂電池、鋰離子電池和鈉離子電池等。鋰離子電池的

2、研究和應(yīng)用較多,應(yīng)用也最為廣泛,但是鋰離子電池存在一個非常大的挑戰(zhàn),鋰元素在地殼中的含量僅占0.002％,這使得鋰離子電池的應(yīng)用受到了一定的限制,尤其是在大型儲能等上的應(yīng)用將存在巨大的資源缺口,而鈉離子電池相比鋰離子電池雖然能量密度有所下降,但是資源優(yōu)勢,價格優(yōu)勢以及與鋰離子電池相似的充放電原理,使得鈉離子電池成為了替代鋰離子電池很有潛力的一個產(chǎn)品。而鈉離子電池材料則是一個急需解決的關(guān)鍵問題。
　　目前來說鈉離子電池正極材料主要有

3、氧化物型AxMO2(x<1,A為堿金屬元素,M為過渡金屬)等,負(fù)極材料集中在石墨、硬碳以及鈉二元合金等。碳材料具有較高的起始容量,但是鈉離子半徑比鋰離子半徑大30%,碳材料在作為鈉離子電池負(fù)極材料時,循環(huán)性能較差,因此研究性能優(yōu)異的負(fù)極材料非常重要。本文的研究內(nèi)容為二氧化鈦和鈦酸鈉兩種鈉離子電池負(fù)極材料的性能,以及通過石墨烯和多壁碳納米管包覆等對材料進(jìn)行改性。
　　本論文采用溶膠凝膠法,以鈦酸正四丁酯等為原料制備了納米二氧化鈦作為

4、鈉離子電池負(fù)極材料,此外,通過Hummers法制備了石墨烯材料,運用噴霧干燥法對二氧化鈦材料進(jìn)行石墨烯包覆,研究不同的石墨稀包覆量(選取2.27%wt、3.34%wt和6.58%wt)對材料電化學(xué)性能的影響。我們的工作表明,采用噴霧干燥的方法可以很好實現(xiàn)石墨烯對二氧化鈦材料的均勻包覆,以3.34%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)包覆效果最好,電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示,二氧化鈦作為負(fù)極材料具有166.2mAh/g的比容量,并且有好的循環(huán)性能,100圈循環(huán)以后比容

5、量保持在150mAh/g。3.34%wt石墨烯包覆后的TiO2/Graphene復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯提高的性能,材料的起始比容量提高到220mAh/g,并且在100圈的循環(huán)以后,容量保持在209mAh/g。
　　此外,本論文對鈦酸鈉負(fù)極材料的合成方法和電化學(xué)性能也進(jìn)行了研究。以不同的方法合成鈦酸鈉,并對材料進(jìn)行石墨烯包覆和多壁碳納米管摻雜改性。合成方法主要使用固相法、水熱法。固相法反應(yīng)溫度800℃,反應(yīng)時間為20h,得到均勻的產(chǎn)品;

6、水熱法反應(yīng)條件為180℃,反應(yīng)時間40h,得到纖維狀產(chǎn)品。石墨烯的包覆和碳納米管的摻雜均采用水熱法,在原材料基礎(chǔ)上加入石墨烯和多壁碳納米管實現(xiàn)包覆。水熱法和固相法合成的鈦酸鈉材料的比容量分別為77.4mAh/g和139.5mAh/g。石墨烯包覆和多壁碳納米管摻雜均使材料的電化學(xué)性能提高,2.63%wt石墨烯和5%wt多壁碳納米管包覆的材料放電比容量分別達(dá)到了141.mAh/g和155.6 mAh/g。
　　二氧化鈦和鈦酸鈉作為鈉離