基于鈦酸納米管制備高性能二氧化鈦鋰離子電池負極材料.pdf

1、二氧化鈦由于其資源豐富、環(huán)境友好、價格低廉，并且在嵌脫鋰過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免鋰沉積形成鋰枝晶以及有機電解液的分解，提高了電池的安全性能，因而作為鋰離子電池負極材料時得到人們的廣泛關(guān)注。然而，二氧化鈦低的電子導(dǎo)電率和離子電導(dǎo)率，使得電池的初始容量低以及倍率性能差，嚴重限制了其在動力汽車以及混合動力型汽車中的應(yīng)用。人們已經(jīng)嘗試各種方法提高二氧化鈦的倍率性能，包括（i）納米結(jié)構(gòu)化，縮短離子和電子的傳輸距離；（ii）表面包覆一層高導(dǎo)電性物質(zhì)，比

2、如碳層，提高材料表面導(dǎo)電性；（iii）體相摻雜金屬陽離子或者非金屬陰離子。
　　鈦酸納米管具有大的比表面積，獨特的多層管狀結(jié)構(gòu)及較強的離子交換特性使其在很多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。鈦酸納米管的制備工藝已經(jīng)相對成熟，在煅燒過程中可以脫水轉(zhuǎn)化為銳鈦礦相的二氧化鈦，并且，通過控制煅燒條件還可以制備出具有氧空位缺陷的電極材料。本論文基于課題組對鈦酸納米管研究工作的基礎(chǔ)，以鈦酸納米管為前驅(qū)體制備高性能二氧化鈦鋰離子電池負極材料，研究內(nèi)容主

3、要包含以下三個方面：
　?。?）將鈦酸納米管分別在空氣和氫氣氣氛條件下煅燒制備具有氧空位缺陷的二氧化鈦，通過對樣品的晶型結(jié)構(gòu)、形貌、順磁性、XPS進行分析發(fā)現(xiàn)，在空氣氣氛條件下煅燒得到的樣品為具有體相氧空位缺陷而表面呈完整晶型結(jié)構(gòu)的電極材料，而在氫氣氣氛條件下煅燒得到的為具有體相氧空位缺陷和表面氧空位缺陷的電極材料。和完整晶型結(jié)構(gòu)的二氧化鈦顆粒相比，引入氧空位缺陷后材料的電池性能大大提高。氧空位缺陷可以為鋰離子的嵌入提供更多的活性

4、位點并提高二氧化鈦的本征電導(dǎo)率，從而提高電池容量和倍率性能，而且氧空位的存在可以為鋰離子的嵌入和擴散提供更為開放的結(jié)構(gòu)和便捷的通道。倍率性能的提高主要是由于體相氧空位的存在。
　?。?）將鈦酸納米管在真空條件下進行脫水處理，通過優(yōu)化實驗條件，調(diào)節(jié)鈦酸納米管的脫水過程和晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程的速度，制備得到具有管狀結(jié)構(gòu)的銳鈦礦相二氧化鈦材料。材料的管狀結(jié)構(gòu)使其具有大的比表面積，提高了材料和電解液的接觸面積，為鋰離子的快速傳輸提供便捷的通道

5、，并且在煅燒脫水過程中生成的氧空位缺陷又提高了材料的導(dǎo)電性，因此，將該材料作為電負極材料時表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。為了更好的理解材料贗電容效應(yīng)和非贗電容效應(yīng)對電池電化學(xué)性能的影響，我們通過剖析材料在不同掃描速率條件的循環(huán)伏安曲線，初步研究了材料的贗電容存儲過程及體相鋰離子存儲過程對電池容量的貢獻，發(fā)現(xiàn)真空條件下煅燒樣品為離子擴散控制的儲鋰反應(yīng)過程，即在大倍率充放電條件下，材料中的贗電容存儲機制占主導(dǎo)地位。
　?。?）以氮化鈦為前驅(qū)

6、體，研究了不同反應(yīng)條件下二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其電化學(xué)性能。最終可以得出結(jié)論：a）納米級氮化鈦在較低溫度（340℃）于空氣氣氛條件下煅燒其晶型結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)化，除了氮化鈦相還有二氧化鈦相的生成，但是測得產(chǎn)物的倍率性能不好，這可能是由于煅燒過程中顆粒尺寸變大以及二氧化鈦和氮化鈦之間沒有有效結(jié)合力引起的。b）納米級氮化鈦在較低溫度下進行水熱處理，其形貌結(jié)構(gòu)并不能被改變，但是通過增加堿液濃度、提高反應(yīng)溫度、增加反應(yīng)時間，材料由顆粒狀轉(zhuǎn)變