多層次結(jié)構(gòu)金屬氧化物納米材料的溶劑熱合成及在鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、鋰離子電池因?yàn)楸热萘扛?、工作電壓高、能量密度大、污染小等?yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在可攜帶式電子設(shè)備、混合動(dòng)力汽車(chē)、以及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。目前商用的鋰離子電池主要采用石墨作為負(fù)極材料。但石墨由于嵌鋰電位較低，容易產(chǎn)生鋰枝晶而存在較大的安全隱患；同時(shí)石墨電極的比容量較低而無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求。因此，尋找可替代石墨，具有更高比容量和能量密度、并且循環(huán)穩(wěn)定、安全性好的新一代負(fù)極材料已經(jīng)成為目前鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。與石墨材料相比，二氧化鈦因嵌鋰

2、電位相對(duì)較高而具有優(yōu)越的安全穩(wěn)定性，同時(shí)因二氧化鈦價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、體積應(yīng)變小等特點(diǎn)，具有成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料的潛力。但是，由于二氧化鈦?zhàn)陨韺?dǎo)電性較差、鋰離子傳輸性能不佳，致使充放電過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)其理論比容量而限制其在負(fù)極材料上的應(yīng)用。目前，主要通過(guò)將二氧化鈦納米化或與石墨等導(dǎo)電材料復(fù)合的方法來(lái)改善材料的導(dǎo)電性。設(shè)計(jì)二氧化鈦/碳納米多層次復(fù)合材料一方面能通過(guò)將材料納米化而縮短鋰離子傳輸路徑，提升傳導(dǎo)能力，另一方面

3、碳能夠提供導(dǎo)電基質(zhì)，達(dá)到改善二氧化鈦?zhàn)陨韺?dǎo)電性不足的目的。
　　在此思路下，本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.采用N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，聚苯乙烯為反應(yīng)模板和碳源，以四異丙醇鈦為二氧化鈦前驅(qū)體，在濃鹽酸作用下，聚苯乙烯發(fā)生相分離原位形成聚苯乙烯膠體粒子，并在溶劑熱的輔助下形成二氧化鈦/聚苯乙烯復(fù)合微球，通過(guò)氬氣氣氛煅燒，制備得到形貌均一、可控，多層次結(jié)構(gòu)的二氧化鈦/碳復(fù)合微球。研究發(fā)現(xiàn)，多層次的二氧化鈦/碳復(fù)合微球具有

4、很高的振實(shí)密度，同時(shí)，與純的二氧化鈦微球相比，二氧化鈦/碳復(fù)合微球的質(zhì)量比容量、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能都有很大的提高。此外，惰性氣氛煅燒下所制備的二氧化鈦/碳復(fù)合微球可以通過(guò)進(jìn)一步空氣氣氛退火處理調(diào)控其碳含量，從而得到具有不同碳含量的二氧化鈦/碳復(fù)合微球。本文對(duì)二氧化鈦/碳復(fù)合微球的形成機(jī)理、形貌結(jié)構(gòu)、以及鋰電性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。此外，作為拓展性研究工作，還進(jìn)一步研究了二氧化鈦/碳復(fù)合微球光照催化產(chǎn)氫性能。
　　2.采用1,4

5、-二氧六環(huán)作溶劑，四異丙醇鈦?zhàn)鳛槎趸伹膀?qū)體，通過(guò)改變體系中的濃鹽酸的濃度，在溶劑熱條件下，通過(guò)無(wú)模板法合成納米顆粒構(gòu)成的微球，納米棒和納米顆粒構(gòu)成的復(fù)合微球，納米棒構(gòu)成的微球，納米棒構(gòu)成的簇等四種微納結(jié)構(gòu)。通過(guò)空氣氣氛煅燒，可得到相應(yīng)形貌的結(jié)晶二氧化鈦微納結(jié)構(gòu)。本論文對(duì)無(wú)模板法條件下二氧化鈦多層次結(jié)構(gòu)形貌演變機(jī)理進(jìn)行了深入探討；在此基礎(chǔ)上，研究了不同形貌的二氧化鈦多層次結(jié)構(gòu)的鋰電性能和光照催化產(chǎn)氫性能；并對(duì)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了初步