高性能鈦氧化物負極材料制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鈦氧化物由于較高的充放電平臺、高化學(xué)穩(wěn)定性、充放電過程體積“零”應(yīng)變,且具備開放的嵌脫鋰通道等優(yōu)勢,成為潛在應(yīng)用于新興動力鋰離子電池的負極材料之一。但其固有電導(dǎo)率低限制了快速充放電能力發(fā)揮。本文針對幾種鈦氧化物存在的上述突出問題,采用基于溶膠凝膠及水解合成策略構(gòu)筑不同結(jié)構(gòu)特點的納米結(jié)構(gòu)電極材料,借助于TG(熱重分析法)、XRD(X射線衍射分析)、SEM(掃描電子顯微鏡)、TEM(透射電子顯微鏡)、CV(循環(huán)伏安)、充放電測試、EIS(電

2、化學(xué)阻抗譜)等測試手段,深入研究了納米結(jié)構(gòu)的形成機制、制備材料的物理化學(xué)特征和電化學(xué)脫嵌鋰行為。
　　采用溶膠凝膠路線,以嵌段共聚物F127作為配位體制備了納米晶鈦酸鋰,在強酸環(huán)境下,F127的環(huán)氧乙烯(EO)鏈段和Ti4+、Li+通過氫鍵作用形成冠醚狀配位體,形成有效絡(luò)合,使參與反應(yīng)的原料物質(zhì)以分子級別混合,在較低的溫度下(700℃)獲得單相尖晶石鈦酸鋰納米晶。SEM和TEM測試表明,鈦酸鋰的晶粒為規(guī)整多面體結(jié)構(gòu),結(jié)晶度好,分布

3、均勻,晶粒尺寸約為100 nm。作為鋰離子電池負極材料展現(xiàn)了較好的電化學(xué)性能,在5 C、10 C、20 C和40 C測試倍率下容量分別為165 mAh1、150 mAhg1、131 mAhg1和108mAhg1。
　　在采用嵌段共聚物F127作為配位體的基礎(chǔ)上,將前驅(qū)體在氬氣氣氛下煅燒, F127在煅燒過程中碳化形成的碳原位錨定在顆粒表面,有效的抑制了晶粒生長。最終在750℃下合成了顆粒尺寸在20 nm左右的高結(jié)晶度鈦酸鋰。同時,

4、表面形成的均勻碳網(wǎng)絡(luò)大幅度改善了鈦酸鋰的電導(dǎo)率,為8.2103 S m1。作為鋰離子電池負極材料,鈦酸鋰/碳復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)越的倍率性能和循環(huán)性能,在5 C、10 C、20 C和40 C的放電容量分別為160 mAhg1,155 mAhg1,139 mAhg1和123mAhg1。
　　采用基于離子液體輔助的溶膠-凝膠路線合成了具有孔徑分布均勻、高熱穩(wěn)定性的銳鈦礦 TiO2納米晶?？疾炝遂褵郎囟群瓦溥螂x子液體陽離子碳鏈長度等因素對合

5、成 TiO2的影響,發(fā)現(xiàn)長碳鏈離子液體表現(xiàn)出了更顯著的模板劑和穩(wěn)定劑的作用,并且離子液體在合成過程具有穩(wěn)定 TiO2晶體結(jié)構(gòu)的作用,所獲得介孔納米晶TiO2具有較大的比表面積(112 m2g1)。作為鋰離子電池負極材料表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率性能和循環(huán)性能,介孔TiO2納米晶在5 C、10 C倍率下的容量為140 mAhg1和118 mAhg1,同時在不同倍率下均表現(xiàn)出較好的容量保持率和接近于100％的庫倫效率。
　　采用TiCl4做為鈦

6、源,離子液體C16mimBr作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,經(jīng)一步水解獲得了納米花狀金紅石二氧化鈦微結(jié)構(gòu)。納米花的平均顆粒尺寸為400 nm,是由6 nm的TiO2納米晶顆粒沿著[001]方向定向生長的納米線呈放射狀構(gòu)成。花狀結(jié)構(gòu)外表面暴露的都是垂直于C軸利于鋰離子高速輸運的端面,同時納米線能夠提供鋰離子和電子的連續(xù)擴散通道。制備的金紅石型TiO2表現(xiàn)出了突出的放電容量、良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。充放電測試表明約有0.72 mol的鋰離子能夠可逆的脫

7、嵌入TiO2晶格中,可逆容量達到242 mAhg1,在5 C,10 C和20 C的容量分別為170 mAhg1、144 mAhg1和116mAhg1。進一步采用原位復(fù)合技術(shù),成功獲得了金紅石 TiO2/Graphene復(fù)合材料。復(fù)合電極體系表現(xiàn)出了優(yōu)良的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,TiO2/Graphene復(fù)合材料在5 C、10 C和20 C的容量分別為186 mAh g?1、171 mAh g1和140 mAh g1,充放電效率接近100%