生物模板法合成鋰-鈉離子電池負(fù)極材料TiO2-C及其性能研究.pdf

1、鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是目前最理想的化學(xué)電源。金屬鈉與金屬鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似，且儲(chǔ)量豐富，可以有效解決鋰離子電池因鋰資源稀缺所帶來的高成本問題，所以鈉離子電池也是一種極有應(yīng)用前景的新型化學(xué)電源。在眾多鋰（鈉）離子電池負(fù)極材料中，二氧化鈦因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、無毒性、容易制備且具有較高的比容量等特點(diǎn)被認(rèn)為是一種優(yōu)秀的鋰（鈉）離子電池負(fù)極材料，但電子電導(dǎo)率低、離子擴(kuò)散速率小嚴(yán)重制約了它的實(shí)際應(yīng)用。因此，本論

2、文的目的就是通過制備多孔結(jié)構(gòu)和離子摻雜來提高二氧化鈦的導(dǎo)電能力，改善其電化學(xué)性能。
　　首先以價(jià)格便宜、綠色環(huán)保的油菜花粉和酵母菌為模板，以硫酸鈦Ti(SO4)2為鈦源，氨水為沉淀劑，采用沉淀法合成了具有介孔結(jié)構(gòu)的銳鈦礦相TiO2/C，并用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、比表面和孔徑分布(BET)、X射線光電子能譜(XPS)、電子順磁共振(EPR)、傅里葉紅外光(FTIR)、恒流充放電實(shí)驗(yàn)、循環(huán)伏安(CV)和交流阻抗(E

3、IS)技術(shù)等研究合成工藝參數(shù)對(duì)材料形態(tài)結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明油菜花粉模板合成的TiO2/C是具有介孔結(jié)構(gòu)的微米級(jí)團(tuán)聚體，而酵母菌模板合成的TiO2/C則是具有介孔結(jié)構(gòu)的微球，二者均由平均粒徑約15nm的一次納米粒子和平均孔徑分別為14.00或15.11nm的介孔通道組成，比表面積分別為69.37和72.05m2·g-1。油菜花粉及酵母菌熱分解殘余的無定形碳均勻分散于TiO2晶粒之間，殘余碳的含量分別為1.6wt％和1.5wt％

4、。油菜花粉和酵母菌模板合成的介孔TiO2/C用作鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，5C放電比容量分別為118.1mAh·g-1和119.9mAh·g-1;用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，20C的放電比容量分別為100.6mAh·g-1和106.6mAh·g-1。表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)鋰及儲(chǔ)鈉性能，主要是生物模板形成的獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)非常有利于鋰（鈉）離子的滲透與擴(kuò)散。
　　其次在酵母菌模板合成介孔二氧化鈦的基礎(chǔ)上，研究金屬離子摻雜的影響。XRD、XPS、EPR

5、結(jié)果表明摻雜的金屬離子(Nb5+、Zn2+、Mg2+)進(jìn)入TiO2晶格形成固溶體，促進(jìn)了氧空位或Ti3+的生成，提高了材料的電子電導(dǎo)率，進(jìn)而改善了材料的電化學(xué)性能。Ti0.94Nb0.06O2/C、Ti0.94Zn0.06O2/C、Ti0.95Mg0.05O2/C作為鈉離子電池負(fù)極材料在5C倍率下循環(huán)100次后放電比容量分別為163.5、148.7、142.1mAh·g-1，用作鋰離子電池負(fù)極材料則為167.8、163.8、161.4m

6、Ah·g-1，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。其中Nb5+摻雜的二氧化鈦具有更好的性能，在5C倍率下，其用于鈉離子電池和鋰離子電池的放電容量比未摻雜的TiO2/C提高約43.6和23.0mAh· g-1。
　　最后以氟化銨和尿素為氮源，用微波水熱法處理沉淀法合成的TiO2/酵母菌前驅(qū)體制備了N3-摻雜TiO2/C。結(jié)果表明N3-以間隙型摻雜方式進(jìn)入TiO2晶格中，取代了TiO2中的O2-，形成了更多的氧缺陷及Ti3+，提高了材料的電子電導(dǎo)

7、率，從而進(jìn)一步提高了材料的倍率性能。此外，水熱條件下氟化銨和尿素分解產(chǎn)生的氣體可以進(jìn)一步抑制TiO2/C顆粒的生長(zhǎng)，降低顆粒粒徑，增加比表面積，這也有利于提高材料的倍率性能。用作鈉離子電池和鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，以氟化銨和尿素為氮源，在N∶Ti摩爾比為1.0的條件下合成的N3-摻雜TiO2/C，在5C倍率下循環(huán)100次的放電比容量分別為150.1、165.2mAh·g-1和140.2、162.5mAh·g-1，與同種條件下合成的未摻雜T