TiO2(B)及鐵氧化物鋰離子負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、便攜式電子產(chǎn)品、新能源汽車和網(wǎng)格電池系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的性能不斷地提出更高的要求。作為鋰離子電池的重要組成部分，負(fù)極材料在很大程度上決定了鋰離子電池的性能。傳統(tǒng)的碳負(fù)極材料已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的生活生產(chǎn)中對(duì)鋰離子電池的高性能的需求。尋找和開發(fā)可以取代碳作為下一代鋰離子負(fù)極材料具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　TiO2(B)的可逆比容量是TiO2四種晶型中最高的(335 mAhg-1)，其獨(dú)特的層狀或隧道結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的擴(kuò)

2、散和電子傳輸。TiO2(B)具有較低的密度、較高的嵌鋰容量、開放的空間通道、快速的嵌脫鋰能力和良好的循環(huán)性能等優(yōu)點(diǎn)受到大家的關(guān)注。但是TiO2(B)的鋰離子傳輸速率慢、電子傳導(dǎo)率低等是阻礙它的發(fā)展的最大瓶頸。鐵氧化物如Fe3O4和α-Fe2O3都具有理論容量高（分別為924mAhg-1和1007 mAhg-1），且資源豐富、無毒、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極有應(yīng)用前景的下一代負(fù)極材料。但是鐵氧化物在充放電過程中發(fā)生巨大的體積變化

3、，將使活性物質(zhì)粉化、脫落、團(tuán)聚，直至失去電觸性。此外，低的電子傳導(dǎo)率也阻礙著實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。本文針對(duì)TiO2(B)、Fe3O4和α-Fe2O3三種材料不同的特性，提出了解決方法。利用純鈦片直接制備3D TiO2(B)，增大了TiO2(B)的比表面積，提高了TiO2(B)的比容量;通過在PMMA模板上電沉積Fe3O4獲得了3DOM Fe3O4，利用3DOM相互貫通的結(jié)構(gòu)緩解充放電過程中發(fā)生巨大的體積變化;通過3DOM TiO2與CoPt和

4、α-Fe2O3復(fù)合，制備了磁性3DOMTiO2/CoPt/α-Fe2O3(3DOMTCF)復(fù)合材料，利用CoPt納米顆粒產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸附粉化的活性物質(zhì)，提高了α-Fe2O3的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　第三章中，以鈦片為原料水熱后酸洗直接得到了具有納米線結(jié)構(gòu)的鈦酸，再經(jīng)熱處理脫水，使鈦酸轉(zhuǎn)化為了具有三維(3D)納米線陣列結(jié)構(gòu)的3D TiO2(B)負(fù)極材料。制備工藝簡(jiǎn)單環(huán)保，且電池組裝不使用導(dǎo)電劑和添加劑，該負(fù)極材料具有較高的電化學(xué)性能。當(dāng)電流

5、密度從C/20升高到1C時(shí)，TBNA的比容量從396.2 mAhg-1下降到140.9 mAhg-1。然而，當(dāng)電流密度為2C時(shí)，TBNA的比容量能夠保持在124.9 mAhg-1。這是由于獨(dú)特的三維納米線陣列結(jié)構(gòu)提供了暢通的鋰離子傳輸通道，良好的導(dǎo)電性和更大的比表面積。
　　第四章中，在銅集流體上直接制備三維大孔有序(3DOM)的PMMA膠晶模板，以此為基底直接電沉積Fe3O4，隨后以熱處理的方式除去PMMA模板制備得到具有3DO

6、M的Fe3O4負(fù)極材料。制備得到的Fe3O4負(fù)極材料并且表現(xiàn)出優(yōu)秀的電化學(xué)性能，在250 mAg-1的電流密度下，循環(huán)100個(gè)周期后，還能保持633mAhg-1的容量。
　　在第五章中，設(shè)計(jì)了3DOM TiO2/CoPt/α-Fe2O3(3DOMTCF)復(fù)合材料，利用3DOMTiO2為穩(wěn)定支架，復(fù)合永磁CoPt納米顆粒，再在其表面涂覆α-Fe2O3，制備了具有磁性的3DOM TiO2/CoPt/α-Fe2O3(3DOMTCF)復(fù)合

7、材料。該負(fù)極材料經(jīng)磁場(chǎng)磁化后，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在電流密度為50 mAg-1時(shí)，可逆比容量高達(dá)540mAhg-1。當(dāng)電流密度為200 mAg-1時(shí)，250個(gè)充放電循環(huán)以后，其可逆比容量依舊能夠保持300mAhg-1。而未經(jīng)磁化的負(fù)極其容量在100個(gè)循環(huán)以后就降低到50 mAhg-1。這是因?yàn)镃oPt產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸附粉化的α-Fe2O3和Fe0，使其在粉化后還能和3DOM TiO2支架良好的接觸，保持其活性，提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍