高性能鈦氧化物負極材料制備及其電化學性能研究.pdf

1、鈦氧化物由于較高的充放電平臺、高化學穩定性、充放電過程體積“零”應變,且具備開放的嵌脫鋰通道等優勢,成為潛在應用于新興動力鋰離子電池的負極材料之一。但其固有電導率低限制了快速充放電能力發揮。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筑不同結構特點的納米結構電極材料,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(循環伏安)、充放電測試、EIS(電

2、化學阻抗譜)等測試手段,深入研究了納米結構的形成機制、制備材料的物理化學特征和電化學脫嵌鋰行為。
　　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,在強酸環境下,F127的環氧乙烯(EO)鏈段和Ti4+、Li+通過氫鍵作用形成冠醚狀配位體,形成有效絡合,使參與反應的原料物質以分子級別混合,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,鈦酸鋰的晶粒為規整多面體結構,結晶度好,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了較好的電化學性能,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作為配位體的基礎上,將前驅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左右的高結晶度鈦酸鋰。同時,

4、表面形成的均勻碳網絡大幅度改善了鈦酸鋰的電導率,為8.2103 S m1。作為鋰離子電池負極材料,鈦酸鋰/碳復合材料展現了優越的倍率性能和循環性能,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,發現長碳鏈離子液體表現出了更顯著的模板劑和穩定劑的作用,并且離子液體在合成過程具有穩定 TiO2晶體結構的作用,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出優越的倍率性能和循環性能,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作為結構導向劑,經一步水解獲得了納米花狀金紅石二氧化鈦微結構。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成?；罱Y構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擴散通道。制備的金紅石型TiO2表現出了突出的放電容量、良好的倍率性能和循環穩定性。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。進一步采用原位復合技術,成功獲得了金紅石 TiO2/Graphene復合材料。復合電極體系表現出了優良的倍率性能和循環穩定性,TiO2/Graphene復合材料在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%